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節，不用傳統的傍軸光學，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（虛擬現實）及AR（增強現實）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稱為手機盒子。但從2016年第三季度開始，逐漸出現VR寒冬，據報道原有的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，而且又是現時能實現的？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，丁守謙教授一發不可收，據此新原理，引發了一系列的發明，講述了中國人自己的3D故事。

《通信產業報》：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展？

丁守謙：傳統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，觀看時發現這些經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。

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

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。我據此做出了多個樣機，就成像質量而言，優于現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，呈現讓所有專業人士驚訝的3D效果”？

丁守謙：搞發明創造一定要勤于動腦善于動手，應充分利用身邊現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。我記得世畀上第一個光譜儀就是用廢的洋鐵煙盒做成的。作為一個發明家動手能力是十分重要的必備因素。

《通信產業報》：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）可實現即拍即看。（5） 性價比高，風格獨特。（6）系統無需更動，其分辨率隨顯示屏分辨率的提高而提高。（7）屬準裸眼系統，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表我的戰略思考。endprint