非近軸光學讓中國人講自己的3D故事

崔亮亮

對話南開大學信息學院電子科學系教授丁守謙

丁守謙，這位電子光學出身、勤于實干的老教授，從1990年退休開始，不甘賦閑養(yǎng)老，立下了“讓立體像像立體聲一樣走進千家萬戶”的宏愿，放棄了走激光全息的高精尖技術路線，針對3D信息的顯示與獲取兩個薄弱環(huán)節(jié)，不用傳統(tǒng)的傍軸光學，另辟蹊徑，探索出一整套非傍軸光學（Non-P araxial Optics）成像的新路。

丁守謙教授近二十多年來一直在思索： 隨著3D在各個歷史時期的幾起幾落，原因何在？特別是隨著《阿凡達》立體電影在世界各地的熱播，2010年被稱為3D元年，各地掀起了一股3D的熱浪，僅過了4年Facebook以20億美元之巨收購了Oculus，于是又掀起了一輪VR（虛擬現(xiàn)實）及AR（增強現(xiàn)實）的高潮， 各種頭戴式的VR設備應運而生，2015年國內的VR廠商蜂擁而上，大多是在此基礎上進行仿制， 這些同質化產品可以統(tǒng)稱為手機盒子。但從2016年第三季度開始，逐漸出現(xiàn)VR寒冬，據(jù)報道原有的200多家廠家已倒閉70%，分析其原因主要是3D顯示不過關，清晰度不高，放大過度，馬賽克明顯，觀看不久就頭暈目眩?；A不牢，終將坍塌。

究竟怎樣的3D圖像才能被大眾喜聞樂見，而且又是現(xiàn)時能實現(xiàn)的？丁守謙教授是我國第一批接觸電子光學的人，對成像理論能從更高更闊的視野進行考察。經(jīng)過艱難的求索，最終導出和高斯理想成像相類似的公式，建立了一套有別于原高斯光學的完整成像體系，叫非近軸光學，也可像歐幾里得幾何和非歐幾何一樣，叫非高光學。丁守謙教授近二十年來一直沉浸于立體顯示的研究，尋找到一種最便捷的方法，即保證圖像在這一過程中不受到任何損傷。自此以后，丁守謙教授一發(fā)不可收，據(jù)此新原理，引發(fā)了一系列的發(fā)明，講述了中國人自己的3D故事。

《通信產業(yè)報》：您所提出的非近軸成像理論與高斯光學有何不同？為什么說是對高斯光學的重新定義與進一步發(fā)展？

丁守謙：傳統(tǒng)的光學成像理論無論是光線光學或電子、離子光學都是基于近軸光學（Paraxial Optics）。1841年德國科學家C.高斯專門研究旋轉軸對稱透鏡的對稱軸附近一些理想成像法則，稱為高斯光學。所謂近軸條件，指的是光線與旋轉對稱軸的夾角α的正弦值可用角值（單位為弧度）代替，即sinα≈tanα≈α，cosα≈1。人眼觀看時，總是對準旋轉軸對稱透鏡的對稱軸，例如顯微鏡、望遠鏡等。我所提出的非近軸光學是未被開墾的處女地，專門研究離軸較遠的光線成像規(guī)律，人眼不是對準這種旋轉對稱軸而是在偏離一定的距離處進行觀看，此距離稱偏心距，觀看時發(fā)現(xiàn)這些經(jīng)放大的圖像整體進行相應的位移而并不破壞圖像的完整性，并從理論證明這種非近軸光線的成像也滿足類似于高斯光學法則，但非近軸光線的焦點需重新定義，并非對高斯光學重新定義。當偏心距逐漸趨于零時，即回到高斯光學。

《通信產業(yè)報》：為什么非近軸光學移位法遠優(yōu)于現(xiàn)有各種方法？其試制產品成像質量優(yōu)于國外同類產品？

丁守謙：正是利用這一特性我提出3D純光學移位合成法，即通過左偏心透鏡對原始采集的左眼像在虛像空間放大后向右移，而右眼像經(jīng)右偏心透鏡在虛像空間放大后向左移，使在成像位置彼此進行無損重合，由此做出立體觀像器不改變原顯示器左右眼圖像的亮度、清晣度、灰度等級、對比度以及色彩飽和度，又無串擾、閃爍，從而看出完美的栩栩如生的立體像。我據(jù)此做出了多個樣機，就成像質量而言，優(yōu)于現(xiàn)在流行的各種方法如用液晶快門、偏振片做成的3D眼鏡，也優(yōu)于用隔離光柵或柱鏡光柵制成的裸眼3D，及其他類似的各種立體顯示器。這一新理論等于在實踐上得到證明。一種理論最好能找到它的實用價值才會顯得更有意義，正如黎曼幾何（它本身就是一種非歐幾何）在愛因斯坦的廣義相對論中得到應用才顯得更有價值。

《通信產業(yè)報》：您所設計的個人立體影院是如何做到“隨手找來快遞紙箱和雙面膠，呈現(xiàn)讓所有專業(yè)人士驚訝的3D效果”？

丁守謙：搞發(fā)明創(chuàng)造一定要勤于動腦善于動手，應充分利用身邊現(xiàn)有素材來搭建你的樣機。該精確的就應當精確，例如透鏡本身，就應請專門磨制人員按你的設計來做，設計理論應當先進，制造應當精準，其他的盒體結構就用快遞紙箱及雙面膠就可以了，而且易于改進設計，達到最佳狀態(tài)。我記得世畀上第一個光譜儀就是用廢的洋鐵煙盒做成的。作為一個發(fā)明家動手能力是十分重要的必備因素。

《通信產業(yè)報》：在您的個人立體影院設計中為何采用兩部手機的雙屏設計？

丁守謙：我們先從一塊16：9格式的顯示屏說起。將一個標準格式的16：9左、右眼像并排地放在這個手機顯示屏上，可算出左眼像 （L） 及右眼像 （R） 各自只占全屏面的1/4，屏的1/2即一半被浪費 （圖1a） 。

如果采用兩塊屏將左、右眼像分別布滿在整個屏上（圖1b），并位于互成90度的V型平面鏡的兩側（圖2C），這時在它的前端形成重疊了一部分的左、右眼虛像，再用偏心透鏡使左、右虛像放大并發(fā)生偏移使完全重合在前端設定的成像位置上。這是目前最易達到最高成像質量的立體觀像器。它具有8大優(yōu)越性。這是因為單屏如要達到和雙屏同樣大小的立體像，則X方向及Y方向各需放大2倍， 根據(jù)像差理論可知其產生的畸變將為2的三次方即8倍，彗差將為2的2次方即4倍，而像散和場曲是2的一次方即2倍。因此：（1） 雙屏比單屏具有圖像最佳的優(yōu)越性。（2） 亮度將增加一倍。（3） 合成立體像的可調因素增多。 （4）可實現(xiàn)即拍即看。（5） 性價比高，風格獨特。（6）系統(tǒng)無需更動，其分辨率隨顯示屏分辨率的提高而提高。（7）屬準裸眼系統(tǒng)，無需戴專用的立體眼鏡即可直接看出栩栩如生的立體像。（8）完全滿足獲得理想立體像。

《通信產業(yè)報》：針對目前手機設計中的雙攝、四攝等外觀及成像，您有什么建議？

丁守謙：目前手機設計中的雙攝都是將兩個攝像頭放得十分靠近，不是真正用于拍攝立體，而是一個用于拍彩色一個用于拍黑白。再用圖像處理來虛化背景而增強些立體感。用此來達到單反相機能達到的效果。這就使人感到有些困惑。明明用兩個攝像頭使其相隔為人雙眼相隔的距離約65mm（這對屏幕5.5英寸～6.0英寸的手機是很容易做到的）就可以獲得真正的立體像，為何卻舍本逐末呢？這方面我將在此專欄中就立體手機設計發(fā)表我的戰(zhàn)略思考。endprint