摘要：

从古时“对镜贴花黄”的少女梳妆镜，到如今遨游太空，探索宇宙奥秘的哈勃空间望远镜，人类光学成像技术是如何一步步从萌芽走向成熟的？他的未来发展又将走向哪里？

本文试图简单回顾光学成像技术的发展历史，带我们一览光学成像的前世今生，看看科学家们是如何通过对光学成像物理原理的一步步深入理解和对成像材料的革新，推动光学成像技术的进步的。

撰文 | 樟君

责编 | 陈晓雪

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光学成像的萌芽和诞生

一切对自然的认识都起源于观察。实际上，光的反射，折射现象，一定形状的晶体可以成放大的像，在远古时代，在世界的不同地区，都曾被记录和观察过。在公元前300年，古希腊的欧几里得在他的“反射光学”一书中，已正确描述了光在物体表面反射时，反射角等于入射角这一定律，同时对光的折射现象也有记录，但当时并没有给出合理的解释，古希腊哲学家柏拉图把这归因于人们对现实的不完美感知。

古代中国最早的光学研究可见于早在春秋战国时期《墨经》，它大约成书于公元前388年，其中已记载了小孔成像的实验：“景，光之人，煦若射，下者之人也高；高者之人也下，足蔽下光，故成景于上，首蔽上光，故成景于下……”。指出小孔成倒像的根本原因是光的“煦若射”（光的直线传播）。其中《经下》和《经说下》中分别记载了八条光学经验定律以及其注释。其中，第八条是：“鉴团景一”，解说：“鉴，鉴者近，则所鉴大，景亦大；其远，所鉴小，景亦小，而必正。景过正，故招。”描述了凸面镜成像的规律，说明了成像必为正像，以及其大小和物体位置的关系。

从墨翟开始后的两千多年的漫长岁月构成了光学成像发展的萌芽时期，在此期间光学发展比较缓慢。直到公元1015年，被称为“光学之父”的伊拉克物理学家海什木（Ibn Al-Haytham，西方人也称他为Alhazen)发表了光学的开山之作，系统地描述了当时人们对“光”和“像”的认识。尽管凭借当时的科技手段，海什木等科学家无法洞悉光的本质，但通过对光影现象及其规律的观察和归纳，他们依然理解了光与像的诸多基本性质。1027年，这本著作首次有了拉丁文译本，打开了欧洲人认识“光”和“像”的窗口，但光的折射现象依然是个谜。

人类历史上第一个真正意义上的光学仪器—眼镜，于1027年诞生于意大利的佛罗伦萨。需要注意的是，眼镜的发明，并不仅仅是人类光学知识提高的后果，而是人类组装合成技术应用的完美结果。根据培根的记录，在眼镜发明之前，欧洲人早已了解光学透镜可以成放大的像，但是把两片透镜用金属框固定，置于眼睛前来提高人的视力，这才是眼镜这一光学仪器的独特之处。

眼镜的发明非常清晰地表明了光学仪器发展所依赖的两项必要技术：玻璃制作和金具组装。当时，意大利威尼斯的玻璃制作质量广为人知。实际上，在1287-1291年间，由于众多的玻璃熔炉产生的空气污染，威尼斯政府曾强制所有的玻璃工厂搬迁到北部小岛-穆拉诺。这次搬迁还有效的保护了威尼斯高质量玻璃制造的秘密。这个秘密的保守对于威尼斯经济有着非常重要的意义，市议会还专门于1547年签发如下法令：“若一个玻璃制作工人输出技术到国外，以至伤害了公众利益，他将被要求返回。若拒不遵守，他的近亲将被入狱拘禁。此举若依然不能令其返回，会安排特别的使团对其执行死刑。” 历史上，威尼斯曾经有两次实行过这个惩戒。

在1590年，汉斯父子发明了组合的显微镜，这是一个两元素的光学系统。在这之后的二十年里，Lippershey和伽利略发明了两种不同类型的望远镜，而且双筒望远镜也问世了。同时，也有两本科学巨著出版：1611年开普勒的“开普勒折射光学”发表，安东尼奥·内里的“玻璃的艺术”于次年出版。开普勒提出了基本的光学原理，而安东尼奥·内里给出了制造高质量光学玻璃的秘密。二者的结合，带来了光学仪器制作的迅猛发展。

而正是光学仪器的不断进步和发展，才把人类认识自然的能力带到了自身视力范围以外，从毫厘之尺的微观世界直到到浩瀚宇宙的璀璨群星，从而带来了人类现代科技发展的蓬勃之势。

光学成像技术的基石

光的折射定律就是打开光学设计大门的钥匙，利用它，笛卡尔推导出可以校正球面像差的透镜形状。在1647年，卡瓦列里找到了透镜焦距与透镜表面曲率和材料折射率的关系，如今，被称为“制镜公式”。最后，约在1670年，牛顿推导出了透镜成像方程，揭示了物面距离，像面距离和透镜焦距之间的数学关系，奠定了现代光学设计的基石。

同时，更多的光学实验在逐步揭开光的神秘面纱，在1665年，Grimaldi 观察到了白光通过针孔后的衍射现象。在随后几年，牛顿也观察到了白光通过棱镜后的色散现象，接着Bartholinus在方解石中发现了光的双折射现象。1678年，惠更斯提出光的波动理论。在1704年，牛顿发布了光的射线传播理论 （几何光学），这一理论在科技界产生了非常深远的影响。

根据几何光学理论，光学仪器成像质量的提高主要依赖于光学玻璃和镜面的自身质量以及人们的加工水平。为了弥补光学材料的缺陷，设计者需采用多个元件以及变化他们的相互距离来提高成像质量。例如提高望远镜长度，以便使用长焦距的透镜来提高放大率减少缺陷。因为只有有限的几种玻璃，使得牛顿错误的相信所有不同玻璃的色散是相同的，他因此倾向于利用反射元件来设计光学仪器， 因为通过折射来矫正色散似乎是不可能的。

1662年安东尼奥·内里的“玻璃的艺术”一书英译本的出现，很大的影响了英国玻璃制作者George Ravenscroft， 他在玻璃制作中，加入化学元素铅，极大地提高了光学玻璃的质量。在1674年，Ravenscroft 为他的火石玻璃制作工艺申请了专利保护。然而，牛顿的影响力依然强大，多年以来，望远镜的设计依然采用反射光学元件。直到1733年，在Ravenscroft的火石玻璃发明60年后，业余天文学家Hall利用不同玻璃的色散特性，校正像差，发明了消色差透镜。

从牛顿之手的解脱

与新技术日新月异的17世纪相比，18世纪显得略为安静。光学仪器的开发和应用极大推动了生物学和天文学的发展。然而，人类对光学物理本身的理解，却没有大的突破。但19世纪均匀玻璃的出现极大的促进了这个转变。

一切起源于Guinand和Fraunhofer在1809年巴伐利亚玻璃制造厂的合作，在那儿，Fraunhofer开始了他研究玻璃材料成分的试验。通过这个试验，利用他设计的光谱分析技术，Fraunhofer不仅制作了高质量的消色差透镜，而且研究了不同玻璃成分的色散特性。

Fraunhofer的工作也推动了英国皇家协会对英国科学家关于玻璃类似研究的支持。在这个支持下，Faraday对玻璃的均匀化有了进一步的提高，然而他并没有对玻璃成分和玻璃光学性质的关联做更进一步的研究。实际上，这一研究的进展，是被一些非主流的科学家推动的。例如Harcourt, 一个英国牧师在1830年，研究了玻璃中各种杂质，如镉，氟，镁 对玻璃光学性质的影响。

Hall消色差透镜的发明，以及Fraunhofer对此的不断提高，渐渐把光学设计从牛顿的巨大影响中解脱出来。Young在1801年的光的干涉试验，证明了光的波动性，更进一步减弱了牛顿的光学粒子理论对光学设计的束缚。在光粒子理论诞生并统治光学领域仅1/4世纪后，光的波动理论终于正式登场了。这个理论完备的解释了光的散射，偏振现象，并随着1865年麦克斯韦方程对光作为电磁波的描述而达到高潮。

从光学工程到光信息学工程

在更好的光学材料，更深的光学物理理论武装下的光学界，朝着更好光学成像这一目标出发了。一系列巨大的进步是在光学成像理论的进一步深化下发展起来的。1874年，德国人阿贝从波动光学的观点提出了一种新的成像理论。他把物体或图片看成包含一系列空间频率的衍射屏，物体通过透镜成像的过程分为两步：(1)通过衍射屏的光发生衍射，在透镜的后焦平面F(又称为付氏面或变换面)上形成其付里叶频谱图；(2)将后焦平面F上频谱图的看成新的"波面"，频谱图上的各发光点发出的球面次级波在像平面上相干叠加而形成像。可以说，第一步是信息分解，第二步是信息合成。这种理论称为阿贝成像原理。阿贝成像原理的意义在于：它以一种新的频谱语言来描述信息,它启发人们用改造频谱的方法来改造信息，控制成像质量。成为现代光学中空间滤波和信息处理的基础。

泽尼克（F.Zernike）基于阿贝（Abbe）成像原理提供的空间滤波概念，提出了位相反衬法，通过改变频谱面上位相分布，巧妙地实现了强度的位相调制，成为实际应用信息处理技术的先声，因此而获得了1953年的诺贝尔物理学奖。20世纪50年代法国P. -M.迪费欧致力于把傅里叶积分应用于光学，A.马雷夏尔通过振幅和相位滤波改善成像系统的传递函数，使照片的质量得到了一定程度的改善。他在这方面的成功引起了人们对光学信息处理的浓厚兴趣。20 世纪60年代，由于激光器的出现，使相干光处理系统有了理想相干光源，利用空间滤波技术来改善光学成像质量的工作得到了突飞猛进的发展。

现代光学成像技术

进入二十世纪，科学家们逐渐揭示了物质的量子属性，并进一步揭示了光的波粒二象性（既有波动性，又有粒子性）。另外，实物粒子—电子的波动性和它的应用对成像技术也产生了深远的影响。

一直以来，利用几何光学和波动光学理论，科学家和工程师们推动着成像技术的不断发展。近年来，利用光的量子理论发展新的成像技术正方兴未艾。例如，“鬼”成像( ghost imaging)又称双光子成像( two-photon imaging ) 或关联成像( correlated imaging) ,是一种利用双光子复合探测恢复待测物体空间信息的一种新型成像技术。传统的光学观察是基于光场的强度的测量，关联光学则基于光场的强度的关联测量，并且现有的成像技术主要利用光场的一阶关联信息（强度与位相），而经典‘鬼’成像利用的光场的二阶关联，是一种强度波动的统计相关。他利用一对量子纠缠光子对，他们沿着不同的空间路径传输，其中，一路通过需成像的目标物体，另一路不通过目标物体。通过目标物体的光子由一个光电探测器检测，   另一路由另一个光电探测列阵检测。成像是通过光电检测器的信号和光电检测列阵信号的相关计算而得到的，在某些方面，和全息成像记录有点相似，全息成像是利用感光片记录通过目标物的相干光和一束参考光的干涉图样，然后再利用这个干涉图样重现目标物的所有信息（振幅和位相）。而量子关联成像，是利用电子学相关来成像的。

此外，电子元件的制造工艺也对光学材料的制作产生了积极的影响。 在光学工业近乎400年的发展历史中，化学工业和大尺度范围内的加工手段是控制光线的主要方式，但是从20世纪早期开始，已经可以在微观尺度下，通过衍射元件对光进行控制。现代的衍射光学元件（Diffractive Optical Element）是人类第一次利用电子元件的精密制造工艺来实现对光的控制。基于光波的衍射理论，利用计算机辅助设计，并用超大规模集成(VLSI)电路制作工艺，在片基上 (或传统光学器件表面)刻蚀产生浮雕结构，形成纯相位、同轴再现、具有极高衍射效率的一类衍射光学元件。它是光学与微电子学相互渗透与交叉的前沿学科。不仅在变革常规光学元件，变革传统光学技术上具有创新意义，而且能够实现传统光学许多难以达到的目的和功能，因而被誉为“90年代的光学”。它的出现将给传统光学设计理论及加工工艺带来一次革命。

此外，由于加工工艺已经细化到波长量级，我们可以设计更精确的结构来控制和利用材料的色散特性，更进一步，制造工艺甚至可以帮助我们作出折射率为负的材料，这使光学工程回到最基本的起点—光的折射来再重建整个光学设计理念。

使用负折射率材料设计光学成像系统，使得衍射极限下分辨成像成为可能，可以提高光学成像的解析率到波长量级以下。此外，相比较于正常光学材料，负折射率材料制作的光学元件，预计会产生更小的像差。这些新的光学材料必然会把目前Abbe, Schott和Zeiss的光学玻璃制造技术提高到一个崭新的高度。

计算光学（光子+电子）：下一代成像技术的核心？

20世纪，成像技术最大的技术进步，可能来自于物理学的基本粒子（光子，电子）和信息学的基本粒子（比特）的联姻。Shannon的诞生于20世纪40年代的信息理论，对于光学系统的成像过程的理解和发展有着非常深远的影响。

未来成像技术的进步，并不在于物理学或材料学，而在于信号处理技术的广泛应用。 正像在量子成像例子中所展示的，电子学和信号处理技术将把成像技术带到以前所不敢想像的境界。

符合现今技术潮流的新的设计理念是计算成像，这个理念是在平衡光学和电子学的处理能力的前提下，综合考虑各种元件，对成像系统做最优化设计。计算这个词指在包括光学像的形成，像的探测，像的数据处理全部技术的综合考量。

计算光学并不同于我们听过的自适应光学，虽然自适应光学也依赖于信号处理技术。自适应光学依然聚焦于通过光学手段提高成像质量，电子学只是作为必要辅助手段。而计算光学，是指利用各种技术受段，在光和电的相互作用优化下，来实现特定的光学成像目标。已没有明确的光学和电子学的界限，正如方兴未艾的量子成像技术。

在光学成像技术大部分的历史发展进程中，巨大的进步一直由光学材料的进步和对成像理论的物理理解来推动的。然而随着对光场最基本粒子-光子和材料最基本粒子-电子的相互作用的理解和控制技术的掌握，很可能带来光学成像技术的又一场革命，而这一领域的发展潜力才刚刚开始。

参考：

1．Joseph N. Mait “A History of Imaging: Revisiting the Past to Chart the Future”  OPN February 2006

2．光學史，维基百科，自由的百科全书   https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%85%89%E5%AD%B8%E5%8F%B2

3．Arthur Schuster An Introduction to the Theory of Optics, London: Edward Arnold

4．M. Herzberger. “Optics from Euclid to Huygens,” Appl. Opt. 5, 1383-93 (1966).

5． E.R. Dowski, Jr. and W.T. Cathey. “Extended depth of field through wave-front coding,” Appl. Opt. 34, 1859-66 (1995).

6．C.R. Kurkjian and W.R. Prindle. “Perspectives on the History of Glass Composition,” Journal of the American Ceramic Society, 81 (4), 795-813 (1998).

7． R.S. Bennink et al. “Two Photon Coincidence Imaging with a Classical Source,” Phys. Rev. Lett. 89, 113601 (2002).

8． J.B. Pendry and D.R. Smith. “Reversing light with negative refraction,” Physics Today 57, 37-43 (2004)