为纪念1960年由美国休斯研究实验室的物理学家梅曼制造的第一台红宝石激光器，2015年联合国教科文组织将每年的5月16日设为“国际光日”（International Day of Light）。在这个特殊的日子让我们一起去认识下生活中的光学。
直来直去的“光之路”
生活中看到的任何景象都要依赖于光的传播，那么光到底是什么呢？几何光学理论把光看作是类似于微粒的一种物质，并将它所发出的光束看作是无数几何光线的集合，光线的方向代表光的传播方向。在这个理论中，光的传播要遵循三大基本定律：光的直线传播定律、光的独立传播定律以及光的反射与折射定律。
（1）光的直线传播定律
几何光学中的光沿直线传播可以追溯到公元前5世纪，墨子的《墨经》中有所记载。墨子还做了世界上第一个小孔成像的实验。《墨经》中对小孔成像的描述是这样的：“景到，在午有端，与景长，说在端。”“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。在远近有端，与于光，故景库内也。”
这里的“到”在古文中通“倒”字，即倒立的意思。“午”指两束光线正中交叉的意思。“端”在古汉语中有“端点”的意思。“在午有端”指光线的交叉点，即针孔。物体的投影之所以会出现倒像，是因为光线为直线传播在针孔的地方，不同方向射来的光束互相交叉而形成倒影。“与”指针孔的位置与投影大小的关系而言。“光之人，煦若射”是一句很形象的比喻。“煦”即照射，照射在人身上的光线，就像射箭一样。“下者之人也高；高者之人也下”是说照射在人上部的光线，则成像于下部；而照射在人下部的光线，则成像于上部。于是，直立的人通过针孔成像，投影便成为倒立的。“库”指暗盒内部而言。“远近有端，与于光”，指出物体反射的光与影像的大小同针孔距离的关系。物距越远,像越小；物距越近，像越大。
（2）光的独立传播定律
把光看作是一种粒子，但光的传播过程与粒子的传播又不同，粒子在传播过程中若是相遇，则发生碰撞，各自的状态都将发生改变。而光在空间中相遇，就像是两条相交的直线，在经过交点后两束光仍然沿原来的传播方向传播，而不会受其他光的影响。
像我们常见的灯光，不同颜色的灯光在传播过程中相互交叉，但是光的传播轨迹不会受到其他光源的影响。
（3）光的反射与折射定律
光的反射定律由法国土木工程兼物理学家菲涅耳提出。他发现了反射与视点角度之间的关系。因此，光的反射又称为菲涅耳反射。反射光线和入射光线与垂直于光入射平面的法线，在同一平面内；入射线同法线组成的角称为入射角，反射光线同法线组成的角称为反射角，反射角等于入射角。折射定律最早由法国数学家费马予以确定，并给出有名的费马定理。折射定律，通俗来说就是当光经过两种不同材料的界面时，光的传播方向会发生改变，即光不再沿同一条直线路径行走。海市蜃楼的形成便与光的折射密切相关。例如，沙漠或海边，处在不同位置的气压不同，导致空气的冷热也不同，也就是空气的稀薄程度不一样，即每一层空气的光学折射率也不相同。当远处较低物体反射出来的光，从下层较密空气进入上层较疏空气时被不断折射，其入射角逐渐增大，增大到等于临界角时发生全反射，这时，人要是逆着反射光线看去，就会看到海市蜃楼现象。
正是光的这些性质，让我们能够通过眼睛来观察到这个世界。光的直线传播和独立传播定律让我们能够直观看到各种各样的事物，以及各种美妙的光影效果。光的折射反射更是让我们能够看到彩虹、海市蜃楼、极光等等神奇的自然现象。那么光的干涉与衍射，又能给我们带来怎样的体验呢？
绚丽多姿的“光波”
光可以看成是直线，但它也可以被看作是一种波。光的这种波动特性，能够为人们的生活带来绚丽的色彩。光的波动说这一理论的形成和发展，属于近代光学这一学科发展史上的伟大事迹。
（1）光的波动性
发现从光的波动性发现到波动光学理论体系的完善经过了漫长的过程，期间很多才华横溢的科学家都为光的波动说理论的建立做出了卓越的贡献。
近代自然科学的重要开拓者之一，荷兰科学大咖惠更斯，奠定了人类对光学现象的一个新的认识：光是一种波动。他在1678年给巴黎科学院的信和1690年发表的《光论》一书中都阐述了他的光波动原理，即惠更斯原理。惠更斯原理认为：对于任何一种波，从波源发射的子波中，其波面上的任何一点都可以作为子波的波源，各个子波波源波面的包络面就是下一个新的波面。他认为每个发光体的微粒把脉冲传给邻近一种弥漫媒质（“以太”微粒），每个受激微粒都变成一个球形子波的中心。他从弹性碰撞理论出发，认为这样一群微粒虽然本身并不前进，但能同时传播向四面八方行进的脉冲，因而光束彼此相交而不相互影响。直到后来，菲涅耳对惠更斯的光学理论作了发展和补充，创立了“惠更斯--菲涅耳原理”，较好解释了衍射现象，完成了光的波动说的全部理论。
英国物理学家托马斯·杨是波动说理论的又一奠基人之一。1800年，托马斯·杨首次提出干涉这一术语，并分析了水波和声波叠加后产生的干涉现象。1801年，最先用双缝演示了光的干涉现象，第一次提出波长概念，并成功测量了光波波长。他还用干涉原理解释了白光照射下薄膜呈现的颜色。托马斯·杨的研究，打破了18世纪近百年人们对光学几乎停滞不前的认识，为后来的研究者指明了方向。
（2）光的干涉
两列或几列波在空间中相遇时会相互叠加，在某些区域加强，在另一些区域则削弱，形成稳定的强弱分布，这被称为光的干涉现象。首先证明光的干涉现象的是杨氏双缝干涉实验。在双缝干涉实验中，利用光源前的单缝形成线光源，再利用双缝形成振动情况相同的相干光源，从而在观察屏上得到了干涉条纹。
生活中有很多干涉的现象。例如，肥皂泡之所以能呈现五彩缤纷的颜色，是因为在泡泡膜外层的反射光和内层反射光发生干涉。一束光照射到水面上的油滴，在油滴的上下表面也会发生干涉现象。
（3）光的衍射
光在行进的过程中遇到障碍物时，出现偏离直线传播的现象被称为光的衍射现象。首先证明光的衍射现象的是德国物理学家夫琅禾费。1821年，夫琅禾费使用点状光源及准直透镜做出平行光束，然后这光束通过狭缝，狭缝后放有另一块透镜，把平行光束聚焦到屏幕上作观测之用，可以在后方屏幕上可以看到成像条纹，同样的设置也可用于多狭缝衍射。
生活中有很多衍射的现象。用望远镜看星星时，在星星周围有明亮的圆环，这是由于望远镜镜孔形成了单孔衍射。傍晚，当我们走在繁华的城市中，眯着眼睛看外面的五彩斑斓灯光时，也能够观察到衍射现象。
光不仅具有干涉、衍射现象，还具有偏振特性，这些都表明了光具有波动性。另外，光通过物质后，还具有吸收、色散、散射等分子光学现象。对于光的探究不会停止，在这探索过程中，我们也将许许多多的不可能变为可能，活灵活现的三维显示技术正是最好的展示。
活灵活现的三维显示技术
事物的发展是一个过程，唯物辩证法认为量变与质变是事物发展的两种基本状态，被广泛讲述的经典光学，一般可分为两部分：几何光学与波动光学，这是古老的光学历经千年发展积淀的结果。直来直去的“光之路”与绚丽多姿的“光波”分别给我们展示了几何光学与波动光学的经典内容。但在20世纪中叶，光学领域又发生了几件大事，它给光学领域带来了全新的质变1948年，英籍匈牙利科学家丹尼斯·盖伯发明的全息术；1960年，美国科学家梅曼制造了第一台红宝石激光器；这使得古老的光学进入了现代光学阶段，一门新兴的光学学科——信息光学也从传统的经典波动光学中脱颖而出，成为了现代光学的重要分支。同时，科学家们也逐渐认识到光学成像系统与信息处理系统都是用来收集、传递或者处理信息的，通信领域中的相关理论与方法不断的被应用到光学领域中，进而实现了一系列突破性的技术革命。发展至今，光信息科学已给我们日常生活带来许多惊喜和改变，例如三维显示技术、全息成像和投影技术的应用等等。“全息”的概念从被提出至今已经发展70多年，光学全息术是用于三维（3D）图像显示的一种常用技术。可以将光学全息技术当做是一个可以记录光波的“窗口”，物体的光波信息事先被“冻结”在窗口上，当我们对这个“窗口”进行适当照明，它上面记录的光波信息就会被“解冻”，“窗口”仿佛被打开，我们可以通过这个“窗口”观察到后面空间中物体的3D影像，只要这个光学全息术的工艺足够精良，这一再现的图像就像被“复活”了一样，难辨真假。
图像具有三维的“立体感”，这也是全息技术成像与普通影像在视觉观感上最大的区别，而营造“立体感”的关键则是光波所携带的信息。以全息技术在眼科疾病诊治中的应用为例，一张“全息底片”所提供的信息量相当于480张普通眼底照片所提供的信息量，利用该项技术能够方便医生们快速进行诊断。结合全息投影技术的3D虚拟影像技术亦是当前的研究热点所在。所谓的3D虚拟影像技术其实是3D视频和3D投影的结合。特效师在电脑上完成一段视频或影片，然后，通过投影将影片在舞台上的全息投影膜上播放，这种全息膜具有一半透光，一半反光的特点，呈半透明状，在保持清晰图像的同时，产生逼真的空间效果。2009年8月31日，初音未来开发公司Crypton以虚拟歌手初音未来的名义举办了世界上第一个使用全息投影技术的演唱会，其使用了德国Sax 3D公司的3D全息透明屏，该屏幕具有透明且不受光线影响的特点。即使是在环境光线很亮的地方，也能显示出非常明亮、清晰的图像。演唱会主办方采用了4块3D全息透明屏，并将已经制作好的“初音未来”三维动画内容投射到屏上，这样可爱的人气偶像便栩栩如生地出现在了大家面前，其精彩的表演与真实的影像让人惊叹不已。
此后全息投影成了舞台上常用的黑科技之一。2013年，周杰伦的“摩天轮”演唱会上，就将邓丽君“复活”了，并与周杰伦隔空对唱了《你怎么说》等歌曲。参与制作3D邓丽君的特效工程师关雅荻透露，为了让3D邓丽君嘴型和声音同步，制作团队一点点地抠画、修改嘴型，而制作满头的真人头发大概需要绘制7000幅图像，而且头发还需要模仿人物的动态。最难的还是人物的脸部制作，要做到形神兼备，特效师们对每条皱纹，每个眼神都不放过。
2015年羊年春晚，一席粉红色套装的李宇春进行了“分身”，舞台上出现了“四个李宇春”同台献唱了一首《蜀绣》。探秘《蜀绣》的现场调试照片我们就能够发现，这场表演中最关键的技术点，就是现场表演者李宇春身后那几张倾斜45°的全息薄膜屏。其实所有的三维仿真人物影像的呈现，都是经过前期拍摄，再经过后期抠像处理，通过叠加视频特效合成制作出的。通过将其投影到设计师们精心调试放置全息薄膜屏上，“李宇春、李宇夏、李宇秋、李宇冬”四姐妹的同台表演便出现了。
恩格斯曾说：“社会上一旦有技术上的需要，则这种需要就会比十所大学更能把科学推向前进”，我们不难看出科技发展与人类进步是相互促进的关系。美国科学家富兰克林揭示了电的本质，但当时谁会想到用它来照明呢？英籍物理学家盖伯是在研究如何提高显微镜的分辨本领时提出了全息术的设想，而现如今这项技术已经深刻地改变了我们的生活。各种全息广告、全息游戏、全息音乐会等等使得媒体文化变得更加丰富多彩。可以预见，将来有一天孩子们能够在街道与小巷里玩全息游戏，每一个人都能够通过全息技术到达春晚的现场和现场的演员一起沟通和交流，也可以让每一个艺术家（包括去世的艺术家）都能够走到观众身边，都能够去不同的城市、乡村、剧场，让观众亲身体会到艺术家在身边表演，体验虚实结合的穿越感。在真实和虚拟之间自由的欣赏艺术创作和艺术家的表演，人们对于世界的记录和观察，不再停留在平面上，而是延伸到三维空间。
结语
从刀耕火种开始，人类对光就有了最初的认识；在数千年文明发展中，人们一边探索光的本质，一边应用光来改造世界。我国的“光学之父”王大珩院士，在七十高龄之时曾为自己填词抒怀：“光阴流逝，岁月峥嵘七十，多少事，有志愿参驰，为祖国振兴。光学老又新，前程端似锦。搞这般专业很称心！”光学是如此的有魅力，让王大珩先生发出“很称心”的感慨。古老的光学在不断的发展中历久弥新，在不断的创造中推陈出新，我们的生活也因“光学”而更加丰富多彩。未来，光学的发展将会为人类文明做出更大的贡献，也将会在新时代散发更耀眼的光芒！