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近场光学介绍
近场光学和光子晶体是近十年来国际上十分热门的两个光学研究领域，本论文着眼于这两个领域里局域和周期性介观体系的电磁场问题的求解。 近场光学是伴随扫描近场光学细微术而发展起来的一个光学分支，它研究物体表面近场区域光与物质相互作用的各种复杂现象，
近场光学和光子晶体是近十年来国际上十分热门的两个光学研究领域，本论文着眼于这两个领域里局域和周期性介观体系的电磁场问题的求解。近场光学是伴随扫描近场光学细微术而发展起来的一个光学分支，它研究物体表面近场区域光与物质相互作用的各种复杂现象，如光的散射、反射、衍射、吸收和光谱学等等。 本论文在这一领域做了有益的探索，取得了有意义的结果。主要有：
(1) 利用自洽积分方程法，求解介观表面结构的近场光分布，揭示了近场光信号与样品的几何拓朴结构和物理属性之间的复杂关系。理论计算发现，近场光信号与光的状态，如偏振方向和相干度等，以及表面结构的几何和物理性质等都密切相关，并对扫描近场光学细微术中存在的问题作出了合理的解释。研究表明，详细的理论计算对于扫描近场光学细微术实验上的发展是不可缺少的。&(2)首次将自洽方法延拓到静电学领域，定量计算扫描静电力细微术中探针与表面结构之间的静电力，详细探讨了实验中的一些问题。
(3) 首次将自洽方法推广，用于求解非线性介观表面结构的二次谐波产生的近场光学问题，揭示了二次谐波产生的近场信号具有很强的局域性，为详细理解表面结构丰富的非线性光学现象提供了有力的理论工具。
光子晶体是为近年来应用物理学的一个重要研究领域。它是介观颗粒周期排列而成的人工材料，能够产生光子带隙，频率落在带隙内的光在晶体里沿任何方向都不能传播，因而具有能够抑制原子，分子的自发辐射等诱人的光电子学特性，在基础研究和实际应用上都有着巨大的潜力。本论文在这一领域里进行了富有成效的研究，获得了很好的结果。主要有：
(1)利用平面波方法计算光子晶体的能带结构，具有宽的光子带隙的三维光子晶体结构。的核心思想是通过降低光子晶体结构的对称性，消除光子能带在晶体的布里渊区高对称点上的本征简并，以获得完全的带隙我们采用两种方法，一种是将晶体的原子做成非球对称，另一种用各向异性的颗粒球做晶体原子。
能带计算表明，当颗粒球的介电常数足够大，而且各向异性足够强，面心立方、体心立方和简单立方结构的单轴各向异性光子晶体，都能够形成沿各向异性轴方向传播的部分带隙，且一直保持到很低的占空比。能带计算还表明，面心立方、体心立方结构的非球形对称颗粒的光子晶体，当原子取向合适时，也能够形成完全的光子带隙。这两类结构有可能与胶体溶液的自组织生长结合，为实现可见光及红外波段的光子晶体提供一种现实可行的新思路。
(2) 对于二维的光子晶体，首次发现，通过选择合适的单轴晶体材料，两种本征偏振模式的光子能带结构可以独立地调节，以实现两者的光子带隙的最优重叠，从而大大提高了二维光子晶体的完全带隙宽度。这一创新性结果，获得了美国《物理学评论通讯》(Phys. Rev. Lett.) 审稿人的肯定和赞许，并迅速刊登发表。
总之，本论文提出了求解局域和周期性介观体系的电磁场分布的新方法，通过对近场光学和光子晶体两个领域中一些问题的研究，取得了有意义、创新性的结果。这些方法可望能为定量处理更加复杂的电磁波在一般介质里的传播问题，以及进一步深入探索光与介观尺寸物质的相互作用问题打下良好的基础，并开辟新的途径，以求有效地服务于实际应用。
近场光学的发展& &英国的辛格（E. H. Synge）及美国的欧基夫（O&Keefe）分别在一九二八年及一九五六年提出在近场光学中（即远小于一个量测波长的距离）进行光学量测，可避免因大于一个波长的距离之后，光波动性质的呈现与干扰，便可获得超越绕射极限的空间分辨率。但受限于当时的工程与技艺，无法证实这一概念。直到一九七二年亚许（E. A. Ash）与尼可斯（G. Nichols）才以波长是三公分的微波，证实的确可在近场范围中达到1／60波长的空间分辨率。但他们希望以可见光波长来进行近场显微观测的计划，却依旧受限于无法有效地控制约百分之一波长的近场光学距离及制作奈米尺度光孔穴的技术，而未能在当时实现。& &一九八六年，宾尼（G. Binnig）及罗勒（H. Rohrer）因为在一九八二年制作出第一台电子扫描穿隧显微仪（scanning tunnellingmicroscope，STM）的重大贡献，而获得当年度诺贝尔物理奖。当时同在瑞士IBM 研究中心的普尔（D. W. Pohl）立即了解到，可利用STM 的技术解决近场光学显微仪的技术问题。于是在一九八二年到一九八八年之间，费雪（Fisher）等人在德国哥廷根的马克士普郎克研究中心、普尔等人在瑞士IBM研究中心以及刘易斯（Lewis）等人在美国康乃尔大学，分别以STM的探针控制技术进行近场光学显微仪的制作。
&&& 自从扫描近场光学显微术（SNOM ）问世以来，光学显微术即进入了纳米结构探测和制作的领域。光学显微术有自己的特点，它不仅提供了扫描电子隧道显微术的纳米分辨率，而且具有非接触和非破坏之特点。因此在材料结构、生物样品的探测以及在工业检测中得到了广泛的应用。但是这种显微术所获得的信息与被探测对象的真实结构仍有些差别。例如工nouge 等人「1 」对光盘表面微结构的探测图像，在他们给出的图中虚线是光盘槽截面的理想结构，实线是测量结果。由此可以看出两者具有明显的差别。Binzig 等人曾给出他们利用几种不同的显微手段对尖锐的硅片边沿所做的扫描探测图像。这里有扫描电镜（SE M ）、SNOM 以及不同数值孔径下的一般光学显微镜给出的图像。由此看出SEM 给出的边沿最锐，其次是sNOM ，最差的是数字孔径为0 . 55 光学显微镜「2 ，。这种差别类似于光学显微镜对近于衍射分辨极限标准线宽的检测结果，即随着超过衍射极限分辨率而标准线的矩形轮廓的锐度和深度均变小。这是否意味SNOM 同样受到成像系统传递函数的制约？目前光学近场和极近场理论正处于发展期，虽然Wolf , Pohl 以及Miller 对近场理论做了较深入的探讨，而且对该系统之传递函数也做过数字计算。但是上述问题仍没有一个明晰而公认的结论。
近场光学显微术
随着一九八六年宾尼等人在美国史丹佛大学发明的原子力显微仪（atomic force microscope，AFM）的发展，各种利用AFM技术以控制各式不同探针的方法，迅速地在一九八八年后发展成各类的扫针显微术（scanning probe microscopy，SPM）。一九九二年美国AT&T 实验室的Eric Betzig及罗彻斯特理工学院（Rochester Institute of Technology）的傅耶兹－伊拉凡尼（Mehdi Vaez-Iravani），分别提出以剪力显微镜（shear force microscope，SFM） 的技术作为近场光学显微仪光学探针的高度回馈控制，并证实可获得极稳定及重复性颇佳的近场光学影像。其显着的优点在于可同时获得样品表面的近场光学影像，与由原子力显微仪所产生的表面形貌（topography）影像。两者由独立的检测方式同时测得，如此可提供极有效的对照及研究参考。从一九九二年起，近场光学显微术开始在应用上展露其特点。近场光学显微术的空间分辨率大约是50奈米至20奈米，接近于电子显微镜的高分辨率，但也兼具传统光学显微镜的优点，属于非破坏性方法，可量测到真实表面空间，样品不需繁复制备手续，也不需在真空环境中进行检验，而可在空气中、水中或各种溶液中进行观测。同时也有其它光学讯息的优点，包括可利用光波的偏振性、相位、波长及荧旋光性等来作为光学显微影像的对比，加上可对样品进行反射、透射及各种光谱学讯息的分析及量测，尤其是所获得的讯息是极为区域性的光学讯息，理论上能提供样品表面小至分子尺寸的影像光谱讯息。
近场光学的应用 近场光学显微术的空间分辨率大约是50奈米至20奈米，接近于电子显微镜的高分辨率，但也兼具传统光学显微镜的优点。近场超解析结构（Super-RENS）发展出来之后，不仅是近场光学及光学信息储存的一大突破，也是其他应用奈米科学和技术的一大突破。对光学记录而言，可以发展越来越小的光盘片，而记录密度却是现在DVD容量的好几倍。近场光学显微术（near-fieldscanning optical microscopy，NSOM） 的光学空间分辨率，主要取决于光纤探针末端光学孔穴的大小，因而只要控制好探针上光学孔穴的大小，就可以获得分辨率是奈米级的三维空间影像，很接近电子显微镜的分辨率。 对于高质量的数字影音多媒体及信息储存容量的需求迅速增加，具高储存密度的光盘存取系统日益重要，而记录点尺寸的缩小成为达成高密度储存的必要条件。由以往商业化CD光盘片，到现行市场主流的数字影音DVD光盘片，存取数字信号的记录点直径由八百奈米缩小到四百奈米，在蓝光光盘片中，记录点直径更缩小至大约二百奈米！然而记录密度的提升，却因利用传统光学原理的存取机制，而受到光学绕射极限的限制，故只能藉由缩短波长及提高光盘读写头数值孔径等方法来求取有限的成长。& 相较之下，近场光学显微术因可突破绕射极限而获取超高分辨率，所以可应用在高密度光资讯存取上。即利用近场光学显微仪，使光纤探针尖端与样品间保持约一到十奈米的距离，再以不同的波长及功率的雷射光，经光纤探针送至记录层的表面，使光与之作用，再观察其几何形貌或近场光学影像上的变化。 但利用光纤探针来收光、送光的方式，有一些困难，如需要精密地控制光纤探针在记录层表面上大约几个奈米的高度、光纤探针易因外力而损坏等等，都使得超高密度近场光学存取技术的实现，面临很大的挑战。一九九八年七月底，在美国圣地亚哥SPIE的年会上，由日本通产省工业技术研究院的富永淳二（J. Tominaga） 研究群提出，可由一层奈米级的光学薄膜的材料特性及厚度，有效地控制写入记录点的大小，以及用近场光学的原理来分辨对小于绕射极限间距的记录点传递的讯息，以达超高密度近场光学记录的效果。 近场超解析结构（super-resolution near-field structure，Super-RENS） 的记录方法，澈底简化了近场记录所需的设备，使得近场光纤探针所遇到的困难一一排除，甚至只用目前商用DVD光驱的设备便可以有近场记录的效果。近场超解析结构（Super-RENS）发展出来之后，不仅是近场光学及光学信息储存的一大突破，也是其它应用奈米科学和技术的一大突破。对光学记录而言，可以发展越来越小的光盘片，而记录密度却是现在DVD容量的好几倍，随之而来的便是播放机的缩小、读取速度的增进、不需再携带现今使用12 公分直径大的光盘片等，信息储存工业将再向前推进一个新的世代。
近场光学显微术的发展，得到了许多前所未能测得的光学讯号及应用物理上的新发展，如单一染料分子的荧光近场显微光学影像，单一分子及单一蛋白质的近场光化学及其超快光学动态量测，近场区域性（100奈米）拉曼光谱在钻石表面上的量测，以及近场超解析结构对超高密度储存记录的发展等等。预期此一新技术会被大量且迅速地应用在生物、医学、及高分子材料等的研究上。此外，在奈米技术的领域中，近场光学显微术除了可用以取得极小区域的光学讯号作为光学影像或光谱研究之用以外，也可成为研究样品表面上奈米尺寸的区域中，改变或主导样品表面结构或物理性质的一种新工具。相信在不久的将来，也会成为奈米制造技术中一个重要的部分。
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从技术角度解读“近眼光场”
眼的视角大概是180度，绝大部分AR应用都需要虚拟信息的大范围叠加，实时重现。如果AR显示器的视角比观察者的总视角小，就会让虚拟图景失真。
　　导语： 人眼的视角大概是180度，绝大部分AR应用都需要虚拟信息的大范围叠加，实时重现。如果AR显示器的视角比观察者的总视角小，就会让虚拟图景失真
　　1957年AR之父莫顿?海利希通过大型设备将3D影像投射于人四周，2009年MIT学生Pranav Mistry实现头戴设备与手势的交互，2010年开始我国电视台将虚拟场景增加至电视节目录制，2012年眼镜问世，2014年Magic Leap获得谷歌5.42亿美金投资。近眼显示，尤其是光学透镜系统，去年赢得了消费者的极大热情，从谷歌的Hololens到Oculus RIFT低成本VR产品，所有这些已发布商用光学产品都历经了几十年的研发成熟期。
　　近眼“光场”成为潮流
　　最新的近眼显示技术由2-3组紧凑的直视LCD屏组成，光学透镜近眼显示屏利用一个紧贴眼睛以至于无法使其聚焦的设备，将合成投影仪放置在自然视角上面。这样的显示屏一方面可以调整眼睛的焦距范围；与此同时保留看见真实世界的能力。
　　获得投资的Magic Leap曾经在斯坦福大学以“The World is Your New Desktop”为标题进行演讲。从技术方向上Magic Leap和Hololens同属空间感知定位技术，不同的是Magic Leap是用光纤向视网膜直接投射整个数字光场（DIGital Lightfield）产生所谓的Cinematic Reality（电影级的现实）。
　　Hololens采用一个半透玻璃，从侧面DLP投影显示，虚拟物体总是实的，与市场上Espon的眼镜显示器或Google Glass方案类似，是个二维显示器。因为视角不大（40度左右），沉浸感大打折扣。
　　问题的症结在于，保证大视角和小巧外形这两项需求在光学硬件设计是互相对立的。
　　举例来说，光学透镜设备在眼前放置了一个镶嵌在波导装置上的分光器，视角范围随波导装置厚度的增加而增加，Epson Moverio BT-1003为了外形轻薄，对角视角范围只有23度。人眼的视角大概是180度，绝大部分AR应用都需要虚拟信息的大范围叠加，实时重现。因此，如果AR显示器的视角比观察者的总视角要小，则使用者必须主动在视野中找到信息并保持同步叠加，并且有可能在瞬间无法接受完整信息，这就让虚拟图景相对现实环境看上去失真。
　　大视角是关键
　　大视角光学器件在传统滤波装置上做出革新，形成光学透镜（简称“光透”），提升了精密程度。非球面界面可承载先进的光学纤维材料，取代了平面混合装置，分离传导镜头等元件，独立的光学“Prism” 将虚拟图像的传导、修片、合成的功能集于一身。图像在虚拟与现实间产生的“光行差”由经过优化的光学界面进行纠正。
　　显示驱动界的巨头英伟达（NVIDIA）在SIgGrogh2015上公布了一种全新的光透AR显示设计解决方案，能够同时保证大视角，与眼镜外形的小巧设计。该设计由两部分组成：一部分是LCD面板，一部分是“点光”（Pinlight）源阵列。所谓“点光”（Pinlight）是将虚拟光源进行编码，使之穿过LCD，形成微透投影。在LCD上编码的虚拟光圈实现了投影平铺，解决了视角的问题，允许创建任意宽度的视角。使用软件程序对目标图像进行重新编排，使之平铺成子图像，并呈现在显示器上，如此当虚拟图像超出观察者的有效视距时便呈现逼真效果。经过估算该眼镜产品可以提供110度大视角范围。
　　但在实际应用中也同样存在尚未解决的问题，比如精确的瞳孔跟踪，光的衍射限制了图像质量，对图像分辨率的景深也是一大挑战，低成本应用级LCD模块会使环境光显示变暗等等。
　　明年3月份Oculurs 商用VR产品就将上市销售，最近三星的GearVR消费者版以99美金的低价格开始接受预定。各种临场感极强的CG动画令人目眩神迷，但是EA等游戏巨擎们仍然放言5年之内虚拟现实或增强现实游戏仍然不会成为主流，的确，高科技在展现动人魅力的同时，自身在市场层面仍面临诸多待解问题。但是这是一个方向，一个通向人类精神想象世界的方向，一点都不会错。
　　本文由作者刘辉授权创业邦独家发布，转载请注明作者信息及来源，违者必究
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