图1：虚构的隐形人[1]
无形的
，在各种影视作品中，总是
是一个常见的科幻想法。无论是六婴《葫芦兄弟》，隐形女《神奇四侠》，还是隐形斗篷《哈利·波特》。典型的情节如下所示：某位奇异博士或一位疯狂科学家突然在他的实验室里研制出一种特殊药物。当你喝下它时，你的身体会“溶解”并变得透明，就像空气一样，但即使穿着衣服你也看不到它。帽子和外套漂浮在空中，出现了奇怪的景象。
那么，这种惊人的透明技术在技术上真的可行吗？
光折射和图像失真
让我们从光的折射开始。我们的眼睛之所以能看到物体，是因为物体本身会发光或反射来自阳光或LED 灯等光源的光。在均匀介质中，光近似沿直线传播，观察者在恒定距离处沿着眼睛水平看到物体。然而，当光穿过两种不同的介质，例如水和空气时，情况就不那么简单了。光在空气和水中传播的速度不同：在空气中每秒近30万公里，但在水中则相对较慢。就像一边是高铁，一边是绿皮火车。
在图2 中，水下鱼发出的光可能沿着一条直线(A-B-C) 从水下穿过水-空气界面到达人眼。但光的世界也是“非常复杂”的，我们从始至终都应该遵循最节省时间的路径，所以我们选择了一条替代路线（A-D-C），其中“绿色列车”你将不得不选择。水花的时间更少（ADBC），但归根结底，“高铁”要快得多，但总时间更少。这样，光就会“弯曲”；这称为光的折射。由于水的折射率大于空气的折射率，因此水被称为光密介质，空气被称为光稀疏介质。然而，观察者仍然本能地感觉到光线沿直线传播，并且他们正在观看图像。在实际位置A刺鱼由于A\’在顶部，所以当渔夫使用鱼叉捕鱼时，他必须将鱼叉刺到他所看到的图像中的位置下方。
图2：光在水和空气介质之间的折射（左）和全内反射（右）。图片来源：光科学论坛/Veer
另外，如果鱼在水下比较隐蔽的位置，鱼发出的光线与水面的夹角足够小，光线会被全反射，就像照进镜子一样，而不会发生折射。气氛相当于一列绿色列车到站。 火车到达后，我没有乘坐高铁，而是乘坐了另一趟绿色列车。光线好像被困在水里了，所以如果你从某个角度看，根本看不到鱼，而如果你有筷子，下半部分在水下，上半部分暴露在水中。空气又显得弯曲。从上到下观察时，这两个部分似乎未对齐。这都是光的折射造成的。
图3：光折射下的“两支错位”铅笔
图片来源：光科学论坛/Veer
通过利用光的折射巧妙地改变光线的方向，可以实现多种令人惊叹的效果，比如硬币穿过水瓶的神奇效果。
这个魔法的秘密可以在文章末尾的另一个视频中看到。同样，绘画也会神秘地消失在水下。
这是因为，为了使纸卡上的图像发出的光到达人眼，它必须穿过多种介质，包括包装袋内的空气、包装袋的塑料外皮和水。这是一个“过五关斩六将”的折射过程，其中一个界面发生全内反射，使图像从观察者的视野中消失。
这里还有一个特殊的水族箱，通过用注射器向水族箱的对角空间注入和吸出水，就可以像“变脸”一样在两张图片之间切换。笑脸变成哭脸，哭脸变成笑脸，红蓝脸妆来回变换。如下图所示，其背后的“黑屏”也是光的全反射。
视频3：一个可以让您交替查看两个图像的水族箱设备。
图4：如果对角线空间充满空气，则观看者会因全内反射而看到图像B。如果对角线空间充满水，则由于光在均匀介质中的直线传播，观察者会看到图像A。来源：作者绘制
光的折射问题在文艺复兴艺术大师达芬奇的画作中也引起了激烈的争论。在下面这幅画中，《救世主》，由列奥纳多·达·芬奇创作，救世主耶稣拿着一个水晶般透明的球，其表面看起来“完美”。然而，细心的观察者抱怨说，透明球后面的衣服褶皱本应因光线折射而移动和扭曲，但在画中却显得如此完整，令人费解。
图5：达芬奇名画涉嫌含有无端光折射效应《救世主》 来源：维基百科
对此，一些光学专家利用专门的光学模拟软件、三维建模和光线追踪来模拟不同材料和厚度的实心和空心球体，并在折射后进行认真的研究，以获得成像结果并进行比较。他研究绘画效果，还发表了一篇论文，题为《论《救世主》的光学精度》[2]。最终的结论是，要达到与绘画相同的效果，需要使用空心球，空心球外壁材料的折射率为1.51714，厚度为1.3毫米。作为比较，空气的折射率为1.0003，水的折射率为1.3333，玻璃的折射率约为1.5，因此该图片将是一个空心玻璃球体。但即使我们能在几百年前制造出如此薄的玻璃球，它们也会很脆弱，那么我们该如何用手处理它们呢？
当然，也有人认为这样严格理性的分析是没有意义的。达芬奇大师描绘了神圣救世主耶稣。除了画家之外，芬奇还涉足各种科学，包括光学。他不明白光的折射现象。另外，您无法观察雕像。真实玻璃灯泡中的大多数扭曲都是人为故意造成的，而不是由于粗心或低级光学错误造成的。无论如何，这幅画本身价值极高，于2023 年11 月在纽约佳士得拍卖行以4.5 亿美元的天价拍卖。
产生隐藏物体效果的光学装置
回到本文的主题“不可见性”，物体对人眼的可见性往往是由入射光照射到物体表面后进入人眼的反射光造成的。如果以正确的方式改变方向，它会简单地绕过物体所占据的空间，观看者会感觉到光线穿过空旷的空间，直接到达人眼，形成视觉上的隐形效果，这在理论上已经得到了证实。已证明。可以用光学系统来实现[3]。
图6：通过弯曲要隐藏的物体周围的光线来实现隐形：对于右侧的观察者来说，光线绕过物体（左）并直接穿过空白空间（右）。实际视觉效果没有差异[3]
“工欲善其事，必先利其器。要在实验中真正达到这样的效果，必须依靠各种光学设备[4]。”。放大镜、近视镜、望远镜、显微镜等透镜表面看起来像小圆形透镜，但它们的威力却极其强大，因为它们利用了光因折射率差异而发生折射的现象。你可以控制空气和玻璃两种介质，光线的会聚和发散，还可以放大和缩小，放大和缩小。在下面由四个不同镜片组成的光学系统中，通过适当的对准设计，第四个镜片前面的观察者有一个视觉盲点，而第一个镜片后面的背景物体我可以看到，但是。我看不到背景中的物体。无法触及第一个镜头后面盲点中的物体。当几根手指放在镜头之间的盲点时，观察者看不到手指，只能看到背景中的网格图案[5]。
图7：由四个镜头组成的具有视觉盲点（橙色区域）的隐身系统[5]
图8：四眼隐形系统视觉效果[5]
你也可以把镜头做得更大，但应该说，这只是镜头视场内隐形的一种形式。不仅如此，观看者必须直视镜头，从侧面看更容易“透视”。
透镜不仅是圆形的，而且是圆柱形的。圆形透镜可以使上、下、左、右各个方向的光线偏转，但是柱面透镜认为物体是由与其平行的线组成的，并且整条线都被折射。朝某个方向。将许多小的柱面透镜排列成阵列就形成了柱面微透镜光栅。柱面微透镜光栅也是控制光线方向的“绝招”。例如，特殊卡片从一个方向看时看起来完全不同。从另一个方向看，卡片表面布满了圆柱形微透镜晶格，因此最初印有红色竖条纹和绿色竖条纹的组合。网格被投影到两个不同的方向，每个方向都组合了不同的照片。如果这两个方向恰好对应于人的左眼和右眼，那么就会分别投影出对应的左眼和右眼视角。不戴眼镜也可以用肉眼显示3D图像。
图9：圆柱形微透镜光栅，可以将光线折射到左眼和右眼两个不同的方向来源：维基百科
除了双重绘画和自动立体观看之外，柱面微透镜光栅还可以表现出隐形性[6]
，源于对“胖人”和“瘦人”的“歧视”待遇。如果光栅后面的平行物体是“细柱”，光线就会很容易被折射并从观察者的视野中移走，如果它是“宽而粗”，光线就会被隐藏。进入观看者的光量似乎并没有消失。
图10：柱面微透镜光栅对不同宽度物体的光折射效果来源：作者制作
底部的细筷子神秘地消失了，但背面的横条纹却完好无损（因为从垂直方向看，它们实际上相当宽）。当然，格子的方向一定不能错。筷子应大致平行于每个柱面微透镜的方向。
在此前网上疯传的一段视频中，光学专家学者朱俊豪表示，虽然他的双腿被神奇材料覆盖后“消失”了，但他身后舞台背景的地平线仍然清晰可见。在聚会上，他展示了他所看到的东西。也使用这种类型的柱面微透镜光栅。这种隐秘方式的缺点也很明显。对被隐藏物体的形状有严格的要求，无论是高还是矮、胖还是瘦、站着还是躺着。圆柱形微透镜光栅设计仅用于某些隐形场景。
以下光学隐形装置甚至更大：在大型水池中[7]
安装了一个特殊的六角柱形水族箱，只有水族箱中心的“空腔”充满了水，其他大部分都是空心的，只有空气，而十字星形部分则充满了水。有水。该部分（下图中的深蓝色）是实心的，由玻璃制成。因此，一束入射光必须在三种介质之间折射：水、空气和玻璃。水族箱的特殊几何形状使得绕过水族箱内部的圆柱形水腔成为可能。另一边的观众会觉得这部分已经消失了。只要鱼游进水腔，观察者就只能看到水族箱后面清澈的海水和绿色的水草。
图11：可以将鱼隐藏在水池中的六角棱镜光学装置[7]
类似的“六角形城堡”不一定要建在水下；它也可以放在桌子上欣赏。[4]。可以看到原本被玻璃棱镜包围的金属重物不见了，但是后面的车模还是可以清晰的看到。
图12：六棱柱遮光装置[4]
利用负折射率材料实现真正的隐形
上面提到的各种光学隐形装置虽然可以提供一定程度的物体消失效果，但离大家期待的实际隐形衣还很远。近年来出现的负折射率材料概念点燃了隐形技术。新基博。
天然材料的折射率一般大于1。假设水的折射率为负，您将看到一条鱼漂浮在水面上方空气中的图像。比这种海市蜃楼效应更重要的是，这种材料包裹着衣服等物体，使其成为避免上述光线弯曲和隐形物体的理想选择。由于这种物质在自然界中不存在，研究人员将注意力转向使用纳米技术的人工合成。
举世闻名的大英博物馆收藏着一件名为“卢西格斯杯”的神奇玻璃高脚杯，由古罗马人于1600 年前制造。该作品的特点是，当光线从正面照射时，杯子会呈现绿色，而当光线从背面照射时，则呈现红色。研究人员发现，这种“变色龙”效应是由于玻璃中溶解了金和银的金属颗粒，而这些颗粒的直径只有50纳米左右。当时的古人并不了解什么是纳米材料，但通过反复实践实验，无意中涉足了这项技术。同样，在世界许多地方，在玻璃中掺杂纳米粒子的技术也被用于一些历史悠久的大教堂窗户上色彩鲜艳的油漆图案。
进入21世纪的今天，研究人员能够更加自由灵活地操纵不同类型的纳米粒子，将它们放置在不同的位置和不同的结构中，就像玩俄罗斯方块或玩积木一样，创造出令人惊叹的材料特性也成为可能。人工合成负折射率新材料。
2015年发表于《科学》期刊论文[8]
研究人员使用银、镁和其他金属的氟化物形成一种网络材料，在其中插入由多孔氧化铝制成的纳米银线。正如预期的那样，合成的负折射率材料片可以像斗篷一样隐藏起来。我们距离负折射率材料制成的隐形斗篷的梦想又近了一步。
图13：负折射率纳米材料隐形斗篷效果：有隐形斗篷涂层（左）和无隐形斗篷涂层（左）[8]
从论文中展示的效果来看，这款隐形斗篷并不算浪费，但目前的结果还在显微镜下观察，而且隐形斗篷的尺寸只有微米，比人的头发还细，而且刺眼实验条件不够。短期内无法应用到日常生活中。
那么，有没有光学的方式来实现隐形呢？另一方面，我们可以制造光学捕获装置，将物体放置在视觉盲点处，通过“失明”的方式让物体从眼睛中消失，创造出各种常见的也不难。设备，例如“条条大路通罗马”。一切都可以在实验室中用作工具，而现实生活中科幻想象中的隐形斗篷在理论上是可能的，但在实践中却不容易制造。这已经有一段时间是不可能的了，但将其投入实际使用仍然会很困难。
参考
[1] A. Cho，“高科技材料可以使物体隐形”，Science 312, 1120-1120 (2006)
[2] M.Liang、M.T.Goodrich、S.Zhao，《救世主》的光学精度，arXiv:1912.03416 (2023)
[3] J. B. Pendry、D. Schurig 和D. R. Smith，电磁场控制，Science 312, 1780-1782 (2006)
[4] K.-T. Lee、C. Ji、H. Lizuka 和D. Banerjee，光学隐身和隐形： 从虚构到技术现实，J. Appl. 129 (23), 231101 (2023)。
[5] J. S. Choi 和John C. Howell，近轴射线光学隐身，Opt Express 22(24), 29465-29478 (2014)
[6] 苏一波，王栓，曹峰，陈淑梅，邓百昌，利用柱面透镜阵列探索物体的不可见现象，物理实验43(9), 22-28 (2023)
[7] H. Chen, B. Cheng, L. Shen, H. Wang, X. Zhang, N. I. Zheludev, and B. Zhang, 非相干自然光下大型物体的射线光学隐形装置， Nat Commun 4, 2652 (2013 ））。
[8] X. Ni, Z. J. Wong, M. Mrejen, Y. Wang, and X. Zhang, 可见光超薄隐形皮肤斗篷， Science 349, 1310-1314 (2015)
作者：焦淑敏
审稿人：高辉
制片人：赵阳
编辑：赵伟
来源：中国光学原标题：《弯曲的光线与隐身术》 编辑：花卷
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