光學隱形技術原理

黃海森

（國家糧食和物資儲備局，湖南 懷化 419100）

隨著人類對自然的認識不斷深入，光學發展經歷波動光學時期、現代光學等階段。光學是當前科研領域最活躍的前沿陣地，不少規律理論從實踐中總結。變換光學是近年來學者廣泛關注的研究領域，人們可以利用坐標變換法設計新型材料，新近發展的超構材料使人們可以發現變換光學要求非均勻光學材料，變換光學概念為最終調控聲波等傳播性質提供有效科學途徑。該文研究揭示光學隱形技術原理，探討光學隱形技術原理的應用。

1 變換光學研究

電磁波傳播調控是物理學中的重要問題，通常通過調控電磁波傳播介質控制傳播方式，如使用玻璃透鏡為相機鏡頭成像，介質間界面對電磁波傳播起到調控作用，非均勻介質可對電磁波傳播調節。人們可以按照特定方法設計制備具有特定空間分布的非均勻介質。如光學隱身衣通過改變光傳播方向，使光繞過隱形物體達到隱形目的。

1996年英國物理學家Pendry提出設計特殊介質材料參數方法，最終發展為變換光學。通過具有空間分布非均勻介質，磁場強度B可任意按期望的方式人工調控。變換光學成為研究新光學現象的重要工具。變換光學系統將材料介電常熟與空間坐標聯系，具有特定空間分布的介電常數可等效于對應彎曲空間。電磁波沿原空間中被彎曲后路徑傳播，可以精確控制電磁波傳播方式。

通過變換坐標，設計材料參數具有特定空間分布的介質材料，可證明介質材料對光傳播方式調控等效于之前坐標變換對空間調控。坐標變換自由性，使利用變換光學設計材料控制光傳播成為有效方法。變換光學理論具有廣泛應用前景，人們利用理論設計很多功能性光學器件，如2006年Pendry提出的隱身衣。Pendry等人提出變換坐標法，利用拉伸變換可設計球殼式隱身衣，使光繞過球殼中心空間使內部物體隱形。球殼式隱身衣工作原理如下。通過拉伸坐標變換，將空間集合點拉伸為有限體積球，電磁波不能穿透進入點線，必須嚴格跟隨空間坐標變換。不能穿透進入對應球形區域，坐標變換決定隱身衣介質材料參數空間分布。

變換光學原理有很多應用，2010年Luo等人研究系列包括奇點的等離激元結構，包括粗糙表面結構與新月形結構。Aubry等人設計等離激元納米微結構器件，從無限大等離激元結構出發，對電磁波響應具有寬帶特性。結構表面產生等離激元，群速度逐漸減慢最終停止，電磁場出現明顯增強。

2 光學隱形技術原理

說到隱形，首先要明白，人眼看到東西過程是什么樣的，例如人為什么能夠看到一輛汽車，看到汽車的過程是怎么樣的？

如圖1，人之所以能夠看到汽車，是因為光線進入了人的眼睛，最后在人的眼睛視網膜上形成了圖像，所以人能夠看到汽車。

圖1 正常視物圖

如圖2所示，在人與汽車之間放上一個盒子，汽車就被盒子擋住了。這樣就只能看見這個盒子，看不到后面的汽車了。

圖2 視線被阻擋圖

為什么不能夠看見汽車，是因為光線的傳播被盒子阻擋了，所以現在只能看見盒子，要讓這個盒子變得不可見，就必須讓盒子重新模擬光線傳播的全過程。讓汽車的光線重新穿過盒子。如果在盒子上開出幾個小孔，那么汽車反射的光線就能夠通過這幾個小孔到達人的眼睛，這樣就可以看見汽車。

但是幾個小孔并不足以讓人看見整個汽車，能看到的僅只有小孔部分透過的光線，也就是只能看到整個汽車的一小部分。汽車其余的部分還是被盒子擋住了，所以能看到的大部分還是盒子，而最終的目的是要讓整個盒子變得不可見，那么單純的在盒子上鉆幾個孔必然是不行的，要看見整臺汽車，就要讓整個盒子變得不可見，這就必須讓盒子的每個部分都能夠順利的讓光線通過。

如圖3，將阻擋物的兩面開滿小孔，以便于讓光線順利的通過。

圖3 盒子開孔示意圖

當盒子的兩面開滿小孔時，大部分的光線就已經不再受到阻擋，而小孔的光線就如圖4、圖5一樣，每個小孔光線通過，每個小孔通過的每條光線都是獨立的，每個不同角度的光線，經過小孔后，到達盒子對面的不同位置。

圖4 光線的傳播方式1

圖5 光線的傳播方式2

知道了光線傳播的過程，就可以明白，盒子能夠被看見，是因為盒子擋住了光線，只要能讓盒子上小孔的位置能夠準確的采集和模擬出光線，就相當于在盒子上開小孔，讓每個小孔的位置能夠完整的采集和模擬出盒子在小孔的位置上所能夠接收到的光線并且計算出采集到的光線以什么樣的角度從另一面相應的位置發出，就能夠實現隱形的功能。

如果要實現這樣的功能，就需要采集模擬器，讓光線采集模擬器來代替小孔進行工作。光線采集模擬器不僅有采集光線的功能，還能夠同時模擬出相同的光線來代替這些小孔的功能。每個光線采集模擬器都有很多小格，如圖6，每個小格都對應著不同角角度采集到的光線和不同角度模擬的光線，這就是“光線采集模擬器”。

如圖6，每個用來代替小孔的模擬器都布滿了更小的發光元器件，能夠準確地根據要求模擬出每束光，如圖6每個小格和每束光線都會有一個具體的編號，對應著每束采集到的光線，和每個小格應該模擬出什么樣的光線。

如圖7，光線1穿過盒子左下邊的小孔，然后從盒子的右上方射出，通過放大后（圖6）可以看到具體的編號，左側下方的光線采集模擬器編號為52的感光孔采集到的光線，最后會從右側上方的光線采集模擬器編號為16的感光孔射出，由盒子模擬出色彩一樣的光線，向這個方向發出。當所有的光線采集模擬器都開始工作時，那么這個物體能就成功地實現了隱形。

圖6 光線采集模擬器示意圖

圖7 光線模擬說明圖

3 光學隱形原理應用

以上就是隱形原理的說明，實際上就是由光線模擬器重新模擬出被盒子擋住的光線，這樣才能夠實現隱形。以上只是說明原理的示意圖。實際設計時，需要將盒子的上、下、左、右、前、后六個方向全部都裝上這樣的光線模擬器才能夠實現隱形。相當于整個盒子的外殼全部是由這樣微小的光線模擬器組成，這些微小的模擬器一個挨著一個，最終組成了一個盒子。這就要求光線采集模擬器必須非常小，小到人的肉眼都無法分辨，這樣的工藝要求十分高。同時還具有至少向全角度模擬光線的能力，使人無論在什么樣的角度，都能夠看到應該看到的光線，否則是無法達到隱形的效果的。

人的眼睛能看清的最小物體是0.1mm左右，如果以現有的技術來制作這樣的設備，那么這個光線采集模擬器大小就不能超過0.2mm，這樣一個微小的光線模擬設備里，包括了采集、模擬器以及通信設備等。還需要在這樣的一個微小設備上安裝光源，通過這些微小的電子設備，來記錄每個角度的光線亮度以及對應的色彩，并計算出這束光線應該由哪一個光線模擬器的哪一個格子向外發出。以目前的技術是無法完全達到最終效果的。

雖然以現有的技術無法造出這樣的設備，但是并不影響用邏輯來分析出設備是如何制作的。只需知道某種物質的性質特征，就可以用邏輯來分析出這種物質可以用來做什么，如何運用。而世界上很多關于隱形研究都弄錯了方向，因為這些研究沒有從原理上去解析隱形原理，就像利用光線進行折射現象研究隱形的試驗，看起來好像是成功的，因為它真的可以讓一樣東西變得看不見，但實際上只需要換一個角度，它便無所遁形。例如某些聲稱已經制作出隱形材料的研究室，只需要分析一下這種材料能否重新完成光線的傳播，就能明白這個發明是否是真實的。

不僅如此，在其他的研究發明上也可以用邏輯來分析某項發明是否真實。反之也能用于科學創造，只需要了解某個現象產生的原理，就能夠分析出相應的設備是如何制造的。