丁守谦：非近轴光学用于3D发明的故事

当著名科学家n .维纳创立控制论时，他的确有许多故事。1935年至1936年，在创立控制论之前，他还在清华大学任教。他是一个非常有趣的人，传播了许多故事。尤其是1948年出版的经典著作《控制论》(或动物和机器中的控制和交流科学)，除了一篇很长的导言，生动地讲述了控制论是如何产生的以及时代的要求外，第一章:牛顿的时间和柏格森的时间，在标题之后，实际上是以一首德国童谣开始的，这在任何严肃的经典著作中都是罕见的。这一点转载如下:

“你知道蓝天上有多少颗星星吗？你知道有多少云飘得太远了吗？上帝已经数过了。尽管数量巨大，但没有遗漏任何东西。”

我没有太多关于3D发明的故事，但也有一些。在创作非傍轴光学时，我从中国博大精深的回文诗中获得灵感。以下是清代的《梅》抄本，以此为开端。

窗纱周围芳香幽暗，半帘半帘。

霜冻的树枝一干，玉树就会开花好几次。

靠近水的笼子里的烟很薄，缝隙壁斜对着月亮。

方梅溪优雅，总是伴有清茶。

这首诗内容如下:

茶青永远伴随着太阳，而优雅的光让梅方心旷神怡。

斜斜的月亮穿过墙壁的缝隙，在水旁笼起细细的烟。

花开花落，树木如玉，一枝霜枯。

窗帘半薄，纱窗芳香。

它读起来也很有诗意，不比上一本书差。

在过去20年左右的时间里，我一直在想:真实的客观世界是三维的(3D)，但绘画和摄影等记录媒体是平面的(2D)，创造突然受到平面限制的三维图像是人类永恒的梦想。由于3D在不同的历史时期经历了起起落落，真正的原因是什么？尤其是随着《阿凡达》3D电影在世界范围内的流行，2010年被称为3D的第一年，一场3D热浪在各地掀起。仅仅四年后，脸书以20亿美元的巨款收购了Oculus，从而掀起了另一波虚拟现实和增强现实的浪潮。各种各样的头戴式虚拟现实设备应运而生。2015年，国内虚拟现实制造商纷纷在此基础上模仿。这些同质产品可以统称为移动电话盒。然而，从2016年第三季度开始，VR寒冷的冬天逐渐出现。据报道，200多家原始制造商已经关闭了70%。出现这种情况的主要原因是3D显示效果不好、清晰度不高、放大倍数过大、马赛克明显以及观看后不久出现头晕。基础不牢固，最终会倒塌。什么样的3D图像能被大众所喜爱，并且目前能被实现？因此，我建议必须满足上述五个条件。它的质量绝对优于平面图像。它会让人享受独特的美，让人忘记离开。当然，它也与程序本身是否精彩以及它看起来是否舒适密切相关。然后看看几种流行的形成立体图像的方法:红色和蓝色眼镜(牺牲颜色和亮度)；光栅法或柱面微镜法(这是当今所谓的“裸眼法”，牺牲一半的清晰度来获得立体效果，景深性能有限)；偏振光法。然而，偏振玻璃的透光率仅为约50%，并且串扰将同时发生)。液晶快门法(这是家用立体电视使用的方法。然而，上述串扰现象仍然会发生。另外，液晶快门的透射率只有50%左右。易于闪光)；眼睛法(让眼睛看得很累，只能看到小图片，不能放大)。尽管上述方法在历史上有其优点，但它们不能同时完全满足上述五个要求。是否有这样一种三维显示方法来满足上述所有五个要求？

幸运的是，我是我国第一个接触电子光学的人。我能够从一个更高更广的角度来审视成像理论。高斯的傍轴光学成像理论统治了近180年，取得了一系列辉煌的成就。1926年，德国的布什在蛋糕上加了糖衣。他发现旋转轴对称磁场可以聚焦和成像傍轴电子束，并满足高斯光学的相同定律，从而开辟了带电粒子光学的新领域。这确实是一个惊人的创新，令人钦佩。从1932年到1933年，克诺尔和罗斯卡直接发明了电子显微镜。后来，它被进一步扩展，通过轴对称旋转场作用于其上的任何粒子都可以聚焦成像。

通过对物体差异的研究，我们知道那些非傍轴电子束在旋转轴对称场中并不是不能聚焦和成像的，但是成像的地方是错误的，不是在傍轴电子成像的地方，而是成为麻烦制造者或异议者，可以被傍轴电子理想地成像。它们是“摧毁”和“征服”的对象。这是研究光学中的“像差”的任务(我也是这个领域的“杀手”之一，我已经出版了专著，其理论将在本文中使用)。我突然想到了相反的方向，如果这些非傍轴电子(这里应该是光子)被认为是聚焦成像的主要力量，而不太靠近它的电子(比如那些傍轴电子束)被认为是它的麻烦制造者，不是吗？还应该获得类似高斯光学的系统。我真的是自己做的。经过艰难的搜索，最终导出了类似高斯理想成像的公式，只是需要重新定义非傍轴光学中的焦距。也就是说，非傍轴光学的焦点是指非傍轴平行光与旋转对称轴相交的点。非傍轴焦点用Fd表示。对于凸透镜，非傍轴平行光的焦点，即高斯焦点，用更靠近透镜的Fg表示，即非傍轴的焦距比傍轴的焦距短。当时，我们没有看到任何重大意义或用途。只建立了一套不同于原始高斯的成像系统。对于我国学者心血来潮写的一些回文诗，徒手阅读自然是一首完美的诗。倒着读非常感人，非常流畅。这也是一首完美的诗。

有一天，当我用图解法画出非傍轴光的焦点时，它触发了我的灵感。那时，我认为我的一只眼睛不是瞄准传统的旋转对称轴，而是瞄准离它一定的距离(这个距离称为偏心距)。在这个非傍轴光的出口，发生了一件惊人的事情。它最初是垂直于透镜的，由于透镜的折射，它的出口向它的焦点倾斜，人眼感知到的是这种倾斜的光。根据人脑的经验，人们只知道这种光是从斜角发出的，但不知道它最初是从垂直角度发出的。因此，偏心透镜的概念诞生了。它可以用来实现图像在空间的位移。这不是我梦寐以求的吗？近20年来，他一直沉迷于立体显示的研究，即如何使并列的二维左眼图像和右眼图像通过光学方法放大后完全重合，以获得理想的立体图像。这是最方便的方法，可以确保图像在此过程中不会受到任何损坏。这证明了一条格言:机会只属于那些有准备的人。从那以后，它变得越来越难以管理。基于这一新原理，它引发了一系列的发明。这正是将来要讲的故事。