前沿光学技术的新发展

金国藩



前沿光学技术的新发展

金国藩

（清华大学精密仪器系，北京 100084）

近几十年，光学这门古老的学科得到了迅速发展。文章从近几年诺贝尔化学奖和物理奖的获奖课题谈起，介绍了光学技术的发展脉络，梳理了纳米光学、超表面、压缩感知、深度学习、太赫兹、光学自由曲面等光学前沿新技术的发展情况。文章最后指出，从事科研研究不能从文章到文章，要与社会的需求相结合，科研只有服务于企业、服务于社会，才能将技术的发展落实到实处。

纳米光学 超表面 压缩感知 深度学习 太赫兹 光学自由曲面 光学

0 引言

光学是门既古老又新颖的学科。原来的光学主要是物理光学和几何光学。1609年出现了伽利略望远镜；1666年牛顿的三棱镜分光太阳光的实验，成功为后来的光学研究奠定了基础；再之后出现的X射线干涉仪、拉曼光谱，显微镜等研制者均获得诺贝尔奖金。近几十年，光学技术得到了迅速发展。21世纪，诺贝尔物理和化学奖的获得者，看似与光学无关，但本质上都属于光学领域，比如2008年化学奖的获得者日本人下村修、美籍华裔化学家钱永健，研究的是用绿色荧光蛋白来检查细胞蛋白；2009年物理奖获得者是高锟和Willard S. Boyle、George E. Smith，高锟主要研究的是光纤传感，现代通讯里面已多用光纤，不再使用铜线；Willard S. Boyle、George E. Smith发明了第一个成功的数字影像传感器：电荷耦合器件（CCD），现在我们使用的探测器不是CCD就是CMOS。再后来，日本人做出了蓝光LED，接着就是超分辨率荧光显示。因此，虽然光学是门古老的科学，但随着现代化的发展又焕发着青春。

从光学的角度上看，最大的变化应该是激光的出现。1916年，爱因斯坦发现了激光。激光英文直译成中文，意思是“受激辐射的光”，被称为“最亮的光”、“最快的刀”、“最准的尺”，是20世纪以来继核能、电脑、半导体之后，人类的又一重大发明。激光的干涉性好、亮度高、方向性好，所以激光的出现对光学的发展具有非常大的促进作用。我们现代生活当中到处都用到激光，无论是测量还是武器，激光的出现在光学领域引起的变化是巨大的。

近年来，在光学领域里面还出现了很多新的分支，例如纳米光学、太赫兹等。过去的镜头都是用的球面、非球面，现在出现了光学自由曲面，作为显微方面又出现了超分辨。一些理论从电信工程领域转到光学领域中来，又出现了压缩感知、深度学习、大容量的光存储、运用光束进行测量、二元光学、非线性光学、计算光学等等。新出现的这些光学的分支在工业上已经逐步得到了应用，而且起到了很好的效果。

1 纳米光学（Nano Optics）

所谓纳米，就是把金属弄成很小的颗粒，这些颗粒是在100个纳米以下的。纳米的性质跟普通的大块儿的金属材料或其他材料不一样。颗粒变小以后，它表面的面积就相对比较大。光线照射以后，会跟纳米的结构、纳米颗粒发生线性或者非线性的变化，或者是量子之间的相互变化，就产生了表面等离子现象（Plasmonic Effect）。这个现象的出现，实际上就是表面的原子的活动能量很高，相互碰撞，自由电子也在相互碰撞，所以这个信号就可以大大加强。比如说一根针，针的表面上都有金属纳米颗粒。用它探测时，探测信号就特别强。这就是纳米最基本的表面等离子现象。表面等离子现象在很多领域都得到了运用。后来，又出现了超分辨率纳米光刻、高密度的数据存储以及近场光学等等。

中科院成都光电所最近做了一个平面透镜。平面透镜上面就是一些小的纳米颗粒，这些纳米颗粒排好就能做成一个平面的透镜。另外，还做了超分辨成像，超分辨成像就是在一块玻璃板上，把纳米按照一个规律分布，再经过一个滤波器之类的器件，就得到了一个超分辨的图像。纳米再发展下去就是超表面。

2 超表面（Metasurface）

超表面是指一种厚度小于波长的人工层状材料，非常薄，它可以对电磁波、光波、光波的偏振、振幅、相位，以及极化的程度、极化的方式、传播的方式都能进行调控。超表面是一种结合了光学与纳米科技的新兴技术。

超表面的应用非常广泛。例如用雷达去发现航天器在飞行，如何反雷达，让雷达不容易发现。隐身的问题就可以用超表面来做材料，用它做的材料可以反雷达。超表面有很多用途，高反射率的、高透过率的都可以用到。

3 压缩感知（Compressive Sensing）

在电气工程信号处理时，大量地使用模拟信号，模拟信号后来变成数字信号，数字信号有降低干扰等诸多好处。可是要把数字信号再变回去，变成原来的模拟信号，就有一个取样的问题，到底取样取多少。在电气工程里面，香侬定理就是关于取样的，必须取多少，才能恢复到原来的信号。对图像来说，有各种频率的，但是取样到底取多宽，香侬定理规定，至少等于它的带宽，此带宽是一直遵守的规则，否则不能恢复到原来的信号，恢复完了以后就出现了混叠现象。顾名思义，混叠就是混在一起，不清楚。所以，香侬定理规定了，我们要取样多少。图像里本来也有各种各样频率的一些信号，但是都变成数字信号后，到底去取多大的带宽才能恢复原来的图像?于是，就有人打破了香侬定理，提出了压缩感知。简单的说，压缩感知就是在数学上做了一些处理，做了傅立叶变换或者小波变换。变换后发现，信号里面不仅仅有一些信号，还有很多地方是零信号，是零值。如果把这些零值都去掉，信号就减少了很多，可以大大地减少信息量，这样对做图像处理是很重要的。压缩感知就是把那些冗余的信息去掉，它一出现，在科学界和工业领域，在信息论、图像处理、地球科学、光学和微波成像、模式识别等各个领域都得到非常大的重视。因为信息量可以大大地缩减。譬如核磁共振，核磁共振利用的是电磁波，得到的图片数据量太大，而应用压缩感知就可以以比较少的信息，完整地恢复原来的图像。

4 深度学习（Deep Learning）

人是万物之灵，最主要的一点就是，人是善于学习的。一个小孩，最初一看到他爸爸，也不见得就叫得出来，最多只能“啊”就完了。但后来发现，那个是爸爸，应该叫爸爸才对，慢慢的，他就认识了爸爸。

其实，一个人学习跟判断是很重要的，跟其他动物相比，人类更善于学习。现在机器人的能力也非常强，世界上最有名的围棋手跟机器人下棋，几次都是机器人赢了。为什么?其实就是机器人做了很多学习，它可以检索到不同的一些走法。它可以利用计算机线路板，每一块线路板上都有感知器，感知器在不同的线路板上传递，一层一层的传递。每一次传递的时候，它实际上就设计好了，第一层先认识一个图像的边缘线，这可能是一条直线；第二次又传递到下一个，它又认识一个图像的犄角，这也可能是圆角；慢慢地，一层一层的认识，就可以得出一个图像来。这个图像到底对不对，它又有个背传，就是返回来。返回来之后，再跟原图进行比较，一比较发现了差距。这里有一个阈值，如果阈值设的高一点，那就过了；但是，如果阈值低一点，或者更小，可以说精确度就越高一些。所以返回来，不够再来，反复迭代。最后就能得到一个很好的图像。为什么机器人能把最高段位的围棋手都胜了?这是因为它做了大量的迭代。而且每一次网络，还能改变它的权重，改变了它的方向。这次传到这个神经元或者某个感知器上面，下一次传到另外一个感知器上。这样就反复反复的迭代，到最后它的阈值就变得很小很小。所以知名的围棋手跟机器人去比赛的时候，到最后肯定是比不过的，因为机器人经过了几万个训练。所以每一次改变阈值，改变传递到哪一个感知器，是可以变化的。变化来变化去，然后反复迭代，就能迭代出一个非常好的结果。

人脸识别也一样。基于人的脸部特征，对输入若干的人脸图像或视频流，从而得到一个非常好的网络，这个网络就善于去识别人。识别分成两个阶段，训练的时候可能几个小时，甚至七八个小时，训练完了，得到了人脸识别网络。使用的时候，人脸只要往那儿一站，光一照，立刻就能识别出来。这是谁，那是谁，识别出来了，这就是深度学习。

深度学习为两段，一个阶段是学习，另一个阶段是测试。这种反复迭代的办法在各个领域都在使用：人脸识别、模糊图像识别、超分辨率以及一些物品的分类。不好分类的物品，找一个比较好的网络，来进行分类。我们做遥感，在卫星或者地面拍摄的一个图像，因为速度很快，再加上大气的干扰，所以图像不够清楚。但是不清楚的一个图像，让它经过我们优化的网络，经过迭代，就能很清楚的把这个物品到底是什么，识别出来。这些应用是非常有价值的。

5 太赫兹技术（Terahertz）

过去讲光学，大都是做的可见光，或者近红外。比近红外更长一些的是远红外，微波波长最短处叫做超微波，远红外与超微波之间的区域就是太赫兹。所谓太赫兹，是1012赫兹。它是一个有独特优点的辐射源。在美国把太赫兹评为改变未来世界的十大技术之一。2005年，日本把太赫兹列为国家支柱的十大重点战略目标，希望举全国之力来进行开发。太赫兹很有用处，可以用在成像、毒品的检查、生物的检测、细胞里面蛋白质成分分析等方面。进关海关时，用太赫兹扫一下，身上藏的东西，都能照出来。另外，还有太赫兹的光谱，这是我们用普通的光源得不到，但是用太赫兹就可以得到。

6 光学自由曲面（Free-form Optics）

过去光学系统大部分都用的是球面和非球面，都是光学对称的。光学自由曲面与传统不同，它可能是一些非对称的曲面，它突破了传统成像的一些基本概念。所以，只要需要，不论是发射，接收还是转换，都可以。

另外，从加工上说，不管是球面的还是非球面的，如果是玻璃的，先去切成一块玻璃。然后去铣，再磨，磨完了，再抛光，才能做出一个镜面。而现在，光学自由曲面大部分是经过单点金刚石车床来车，表面的光洁度没有问题。然后光学自由曲面常常在某个地方，表面可能就凸出一点儿，这一点，结果它就能把有些像差去掉。使用光学自由曲面，可以得到大的视场角，高分辨率。对于光学设计，自由曲面增加了很多变量，有利于消除像散等像差，像散的问题在光学设计里面很麻烦。用数控机床来加工，加工的速度比以前的多少工序要快的多。将来，可能有很多光学设备做成自由曲面，通过压膜式的压出来，这样可大大提升生产量。

7 结束语

技术如何转化为生产力，高校和企业如何对接，产学研就显得尤为重要。

高校跟企业不同，高校的人才汇集，他们更愿意钻研一些新的技术。像清华大学设有常聘教授，并规定常聘教授必须出国一年，没有一年的出国经历，连常聘副教授都不可胜任。常聘教授在国外有一年的经历，专门学习新的技术。但企业不一样，企业有生存的压力，他们首先必须要解决生存问题。比如私营企业，它得赚钱，不然养活不了这么多职工。所以，企业跟高校经营是不一样的。

高校尤其是工科的院校，必须要与企业很好的结合。如果不能结合，所有技术都是纸上谈兵。最后起到什么作用，谁都看不到。那些在国外学习过的技术专家，他们对于国内企业到底需要些什么技术，往往是不太了解的。他们做的研究题目大都是从文章到文章，这是不可取的。高校的专业人员首先要到企业来，向企业学习，了解他们的需求。需求在哪里，新技术就在哪里，这样才能做出些创新性的工作。只有通过创新性工作，我们的技术发展才有可能从跟跑变为并跑，最后变成领跑。这才是工科发展的一条路。产学研相结合是非常重要的。

光学事业的蓬勃发展，给高校科研人员提供了一个新的平台，我们力争要把专业知识带给航天企业，在了解企业需求的基础上，双方找到一些结合点，一起开展研究工作，共同为我们的航天事业做出贡献。

（本文根据金国藩院士的讲座整理，经金院士审阅）

The New Development of Optical Technology

JIN Guofan

（Department of Precision Instrument, Tsinghua University, Beijing 100084, China）

In recent decades, optics, has developed rapidly as an ancient subject. This article talks about the Nobel Prize in Chemistry and Physics in recent years, and the development of optical technology is also introduced. The development of new optical technologies such as nano-optics, metasurface, compressed sensing, deep learning, terahertz, free-form opticsand so on is introduced in detail. Finally, the article points out that scientific research should not be carried out from articles to articles, but should be combined with the needs of society, only by serving enterprises and society can scientific research implement the development of technology.

nano optics; hypersurface; compressed sensing; deep learning; terahertz; optical free-form surface; optics

O439

A

1009-8518(2019)03-0001-04

10.3969/j.issn.1009-8518.2019.03.001

金国藩，男，1929年生，中国工程院院士，1950年毕业于北京大学工学院，曾任清华大学机械工程学院院长。

2019-04-02

（编辑：陈艳霞）