黄海森

（国家粮食和物资储备局，湖南 怀化 419100）

随着人类对自然的认识不断深入，光学发展经历波动光学时期、现代光学等阶段。光学是当前科研领域最活跃的前沿阵地，不少规律理论从实践中总结。变换光学是近年来学者广泛关注的研究领域，人们可以利用坐标变换法设计新型材料，新近发展的超构材料使人们可以发现变换光学要求非均匀光学材料，变换光学概念为最终调控声波等传播性质提供有效科学途径。该文研究揭示光学隐形技术原理，探讨光学隐形技术原理的应用。

1 变换光学研究

电磁波传播调控是物理学中的重要问题，通常通过调控电磁波传播介质控制传播方式，如使用玻璃透镜为相机镜头成像，介质间界面对电磁波传播起到调控作用，非均匀介质可对电磁波传播调节。人们可以按照特定方法设计制备具有特定空间分布的非均匀介质。如光学隐身衣通过改变光传播方向，使光绕过隐形物体达到隐形目的。

1996年英国物理学家Pendry提出设计特殊介质材料参数方法，最终发展为变换光学。通过具有空间分布非均匀介质，磁场强度B可任意按期望的方式人工调控。变换光学成为研究新光学现象的重要工具。变换光学系统将材料介电常熟与空间坐标联系，具有特定空间分布的介电常数可等效于对应弯曲空间。电磁波沿原空间中被弯曲后路径传播，可以精确控制电磁波传播方式。

通过变换坐标，设计材料参数具有特定空间分布的介质材料，可证明介质材料对光传播方式调控等效于之前坐标变换对空间调控。坐标变换自由性，使利用变换光学设计材料控制光传播成为有效方法。变换光学理论具有广泛应用前景，人们利用理论设计很多功能性光学器件，如2006年Pendry提出的隐身衣。Pendry等人提出变换坐标法，利用拉伸变换可设计球壳式隐身衣，使光绕过球壳中心空间使内部物体隐形。球壳式隐身衣工作原理如下。通过拉伸坐标变换，将空间集合点拉伸为有限体积球，电磁波不能穿透进入点线，必须严格跟随空间坐标变换。不能穿透进入对应球形区域，坐标变换决定隐身衣介质材料参数空间分布。

变换光学原理有很多应用，2010年Luo等人研究系列包括奇点的等离激元结构，包括粗糙表面结构与新月形结构。Aubry等人设计等离激元纳米微结构器件，从无限大等离激元结构出发，对电磁波响应具有宽带特性。结构表面产生等离激元，群速度逐渐减慢最终停止，电磁场出现明显增强。

2 光学隐形技术原理

说到隐形，首先要明白，人眼看到东西过程是什么样的，例如人为什么能够看到一辆汽车，看到汽车的过程是怎么样的？

如图1，人之所以能够看到汽车，是因为光线进入了人的眼睛，最后在人的眼睛视网膜上形成了图像，所以人能够看到汽车。

图1 正常视物图

如图2所示，在人与汽车之间放上一个盒子，汽车就被盒子挡住了。这样就只能看见这个盒子，看不到后面的汽车了。

图2 视线被阻挡图

为什么不能够看见汽车，是因为光线的传播被盒子阻挡了，所以现在只能看见盒子，要让这个盒子变得不可见，就必须让盒子重新模拟光线传播的全过程。让汽车的光线重新穿过盒子。如果在盒子上开出几个小孔，那么汽车反射的光线就能够通过这几个小孔到达人的眼睛，这样就可以看见汽车。

但是几个小孔并不足以让人看见整个汽车，能看到的仅只有小孔部分透过的光线，也就是只能看到整个汽车的一小部分。汽车其余的部分还是被盒子挡住了，所以能看到的大部分还是盒子，而最终的目的是要让整个盒子变得不可见，那么单纯的在盒子上钻几个孔必然是不行的，要看见整台汽车，就要让整个盒子变得不可见，这就必须让盒子的每个部分都能够顺利的让光线通过。

如图3，将阻挡物的两面开满小孔，以便于让光线顺利的通过。

图3 盒子开孔示意图

当盒子的两面开满小孔时，大部分的光线就已经不再受到阻挡，而小孔的光线就如图4、图5一样，每个小孔光线通过，每个小孔通过的每条光线都是独立的，每个不同角度的光线，经过小孔后，到达盒子对面的不同位置。

图4 光线的传播方式1

图5 光线的传播方式2

知道了光线传播的过程，就可以明白，盒子能够被看见，是因为盒子挡住了光线，只要能让盒子上小孔的位置能够准确的采集和模拟出光线，就相当于在盒子上开小孔，让每个小孔的位置能够完整的采集和模拟出盒子在小孔的位置上所能够接收到的光线并且计算出采集到的光线以什么样的角度从另一面相应的位置发出，就能够实现隐形的功能。

如果要实现这样的功能，就需要采集模拟器，让光线采集模拟器来代替小孔进行工作。光线采集模拟器不仅有采集光线的功能，还能够同时模拟出相同的光线来代替这些小孔的功能。每个光线采集模拟器都有很多小格，如图6，每个小格都对应着不同角角度采集到的光线和不同角度模拟的光线，这就是“光线采集模拟器”。

如图6，每个用来代替小孔的模拟器都布满了更小的发光元器件，能够准确地根据要求模拟出每束光，如图6每个小格和每束光线都会有一个具体的编号，对应着每束采集到的光线，和每个小格应该模拟出什么样的光线。

如图7，光线1穿过盒子左下边的小孔，然后从盒子的右上方射出，通过放大后（图6）可以看到具体的编号，左侧下方的光线采集模拟器编号为52的感光孔采集到的光线，最后会从右侧上方的光线采集模拟器编号为16的感光孔射出，由盒子模拟出色彩一样的光线，向这个方向发出。当所有的光线采集模拟器都开始工作时，那么这个物体能就成功地实现了隐形。

图6 光线采集模拟器示意图

图7 光线模拟说明图

3 光学隐形原理应用

以上就是隐形原理的说明，实际上就是由光线模拟器重新模拟出被盒子挡住的光线，这样才能够实现隐形。以上只是说明原理的示意图。实际设计时，需要将盒子的上、下、左、右、前、后六个方向全部都装上这样的光线模拟器才能够实现隐形。相当于整个盒子的外壳全部是由这样微小的光线模拟器组成，这些微小的模拟器一个挨着一个，最终组成了一个盒子。这就要求光线采集模拟器必须非常小，小到人的肉眼都无法分辨，这样的工艺要求十分高。同时还具有至少向全角度模拟光线的能力，使人无论在什么样的角度，都能够看到应该看到的光线，否则是无法达到隐形的效果的。

人的眼睛能看清的最小物体是0.1mm左右，如果以现有的技术来制作这样的设备，那么这个光线采集模拟器大小就不能超过0.2mm，这样一个微小的光线模拟设备里，包括了采集、模拟器以及通信设备等。还需要在这样的一个微小设备上安装光源，通过这些微小的电子设备，来记录每个角度的光线亮度以及对应的色彩，并计算出这束光线应该由哪一个光线模拟器的哪一个格子向外发出。以目前的技术是无法完全达到最终效果的。

虽然以现有的技术无法造出这样的设备，但是并不影响用逻辑来分析出设备是如何制作的。只需知道某种物质的性质特征，就可以用逻辑来分析出这种物质可以用来做什么，如何运用。而世界上很多关于隐形研究都弄错了方向，因为这些研究没有从原理上去解析隐形原理，就像利用光线进行折射现象研究隐形的试验，看起来好像是成功的，因为它真的可以让一样东西变得看不见，但实际上只需要换一个角度，它便无所遁形。例如某些声称已经制作出隐形材料的研究室，只需要分析一下这种材料能否重新完成光线的传播，就能明白这个发明是否是真实的。

不仅如此，在其他的研究发明上也可以用逻辑来分析某项发明是否真实。反之也能用于科学创造，只需要了解某个现象产生的原理，就能够分析出相应的设备是如何制造的。