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用光绘画,来精准控制光的反射,维米尔的传世画作戴珍珠耳环的少女

日期:2020-09-22 09:04:52 来源:互联网 编辑:小狐 阅读人数:993

现在很多旗舰手机的背部面板都开始用上了流光溢彩的颜色,这种独特的设计美学,已成为当前数码圈的一种时尚潮流,也是很多品牌独家的产品差异化所在。

但你知道吗?这种流光溢彩的颜色,其实已经不能单靠化学颜料和油漆油墨所能实现, 它们都开始运用上一项新技术:结构色,对于结构色越来越精细的调控,可以让我们玩转光和色彩。

来自南京大学的徐挺教授和陆延青教授带领其课题组,联合美国国家标准与技术研究院的研究人员,合作完成一项利用自然光结构色来绘画的实验,他们超高精度地复现了十七世纪荷兰艺术家扬·维米尔的传世画作《戴珍珠耳环的少女》

用光绘画,来精准控制光的反射,维米尔的传世画作戴珍珠耳环的少女(图1)

以光代笔

阳光包含几种颜色?对于这个问题,稍有物理常识的人一般都知道:红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。

1666 年,科学巨匠在家休假期间,做了一项著名的光谱分析试验,他发现自然光透过三棱镜折射,可呈现出包含七种颜色的绚丽色散现象,这为后来的光谱学研究奠定了理论基础。

1801 年,英国学者托马斯·杨研究了人眼视觉对颜色的感知,他指出在可见光谱的位置排列上,只需选择三种基本色,按不同的比例叠加组合,就几乎可产生任何一种颜色;而随后德国学者赫尔曼·冯·亥姆霍兹在 1856 年至 1867 年期间,继续对视觉颜色进行了深入分析,确立了光的三原色理论。

直到现在,我们生活中几乎所有的彩色显示屏,都是基于红、绿、蓝三原色组合,来呈现出不同的画面。

既然可见光中本来就有颜色,而三原色组合又可以产生各种色彩,那你有没有想过,用自然光直接绘画,结果将会如何?

在这项实验中,当自然光透过一个承载微纳结构的载玻片,《戴珍珠耳环的少女》被完美投射出来。

更让人惊叹的是:第一,这幅“画”的实际尺寸只有一毫米左右,需要通过显微镜才能观察到细节;第二,“绘画”没用任何颜料,仅靠微纳结构材料对光的折射,就为整幅画精确涂上了应有的色彩;第三,首次实现了对光色明暗过渡的控制,让整幅画看上去更加富有立体感。

这项由科学家完成的“艺术”活儿,不仅让微纳光学研究更进一步,将来还会带来一些有趣的应用空间。

来自大自然的灵感

徐挺现在是南京大学的教授、博士生导师,他于 2011 年取得了中国科学院光学工程博士学位,导师为罗先刚院士。毕业后进入 NIST 担任博士后助理研究员,并于 2014 年升任研究员,2015 年全职加盟南京大学现代工程与应用科学学院。多年来,他一直专注在人工微结构纳米超材料在成像和检测方面的应用研究,方向包括人工超材料、纳米光子学、表面等离子体电化学材料器件以及微纳米加工技术,在 Nature、Nature Communications、Advanced Materials、Nano Letters 等权威期刊发表过60余篇高水准论文。

徐挺介绍,传统意义上的绘画,肯定需要各种颜料,但绝大多数颜料对于环境的友好度、稳定性是比较差的,如果没有特殊保护,一幅画挂一段时间就会褪色,特别是在高温或强光影响下,褪色尤其快,而化学颜料对人体健康也有损害。

但是在大自然中,有很多十分鲜艳的颜色,实际上并不是色素造成的,而是光的幻象。例如,在南美洲有一种蝴蝶叫蓝闪蝶,翅展约 15 厘米,在阳光照射下能呈现出十分绚丽的蓝色金属光泽。科学家曾对大蓝闪蝶的翅膀进行微观研究,发现其翅面覆盖的鳞片,在微观结构上十分精妙,由多层立体光栅构成,当光线照射到翅上时,这些结构对光有折射、反射和绕射等多重作用,最终把蓝色、或偏紫色凸显出来。

用光绘画,来精准控制光的反射,维米尔的传世画作戴珍珠耳环的少女(图2)

这意味着,科学家们也可利用微结构原理,来精准控制光的反射、干涉或者衍射等,从而产生各种不同的色彩,业界将这种技术称为结构色,是近年来学术圈比较热的研究方向之一。

结构色相比于传统颜料,其最大的好处是构成物质单一。无论要展现什么样的颜色,差别只在于材料结构本身的设计调整,它的物理跟化学稳定性比较高,无论强光照射还是常规的温差变化,都不会对它产生的颜色造成任何影响,同时,它也不会对环境或人体造成化学侵害。

在这项实验中,用结构光绘画《戴珍珠耳环的少女》旨在探索技术的边界,其本质就是要基于微纳结构,对可见光光谱进行一次精准调控,研究人员抱着这样的目的开始了“绘画”研究。

与此前业内的相关研究相比,本研究的最大亮点在于,不但可以产生各类颜色,还能产生明暗强度的变化。产生指定结构色很多科研团队都能做到,但那种情况下,如果用来绘画实际上只能是色块的组合,整幅画里只有颜分,没有阴影变化,缺乏生机感和立体感,如果要复现一张油画的画面,用结构色是很难实现的,这便是此项技术研究的门槛所在。

用光绘画,来精准控制光的反射,维米尔的传世画作戴珍珠耳环的少女(图3)

操控光线的纳米柱

实验过程的难度跟主要体现在两方面:第一是理论结构设计。一般来看,结构光颜色透过率越高越好,利用率越高越好,但在实际应用场景中,则需要考虑到画面层次分明的细节,需要对某一个特定的颜色强度有精准的调控方式;第二是加工结构阵列很多纳米柱的尺寸非常小,一般只有几十到几百个纳米。

徐挺补充说:“从原理看,我们目前用结构光做一幅大的图像完全没问题,但做大反而不能呈现出我们的优势,我们现在能在毫米甚至亚毫米尺度,把这幅画作的细节完全展现出来,没有任何细节丢失,这才是我们的优势。”

第一步就是选择材料制作基底和纳米柱。徐挺介绍,基底载玻片选择的材料是二氧化硅,该材料对整个可见光频段的透光率都非常高,而纳米柱选用的材料则是二氧化钛,该材料对可见光没有太多吸收且折射率比较高,利于对光场的调控。

这幅画的微结构包含很多复杂的光学原理设计,简单概括,就是把二氧化钛纳米柱加工成不同的椭圆形状和排列,让它们因为共振效应选择性输出红色、绿色和蓝色三原色,类似于显示屏中的像素。

通过改变这些椭圆形纳米柱的转角,让它们对于入射的偏振光起到偏振方向旋转的作用,这不会影响它们的出射光强度,却能把三原色投射在指定区域组合成指定的颜色。最后,研究人员在载玻片的背面放置了一个特殊的偏光滤镜,来调节光线输出的强度。如此,不但能实现各种颜色,而且每一个颜色的明暗都能得到控制。

在微结构加工过程中,研究人员采用原子层沉积技术和电子束光刻技术来实现。即首先在载玻片上沉积一层仅数百纳米厚的超薄聚合物,使用电子束光刻,在聚合物中开挖了数百万个尺寸和方向不同的小孔,利用原子层沉积技术,用二氧化钛回填这些孔洞,最终,团队清除掉孔周围的所有聚合物,留下了数百万个纳米级的二氧化钛柱,这些纳米柱对光线的清晰地复制了《戴珍珠耳环的女孩》甚至捕获了画布上的纹理细节。

用光绘画,来精准控制光的反射,维米尔的传世画作戴珍珠耳环的少女(图4)

用光绘画有什么用?

由于设计制作过程的精密度和复杂度,徐挺表示,完成这项实验投入的制作成本相对来说还是比较高的,但如果想投入大规模产业应用,把第一个模板设计雕刻好之后,可以通过复制的方式,比如纳米压印的方法,来复制这些图形结构,以降低生产成本。

想必很多人读到这里都比较好奇,费了这么大劲整一幅画到底有什么用处?

徐挺表示,首先这是一种特殊的加密信息存储方式,可以通过控制光的不同波长输出和投射,把图像或文字存储到一个玻璃片上,由于每一个像素都是纳米级的,保存的信息会非常丰富。

其次,实验需要通过特殊偏光滤镜调节才能展现出一张清晰漂亮的画,如果把这个滤镜拿掉,那呈现出来的图案是完全不一样的,且由于这个微纳结构的原始设计和制作相当复杂,很难去仿造,在一定程度上,该技术可以用来做高价值物品的防伪,给某些物品编码图像和文字,这个“防伪”标识只有通过一些特殊手段,才能看到它真实的样貌。

而最广泛的应用,可能是帮助产业提升对结构色更为精细化的操控能力。结构色的物理稳定性和化学稳定性都比传统化学颜料高,风吹日晒永不褪色,可以用来做一些装饰类应用。

实际上,当前主流的消费电子产品已经用到了相关技术,很多旗舰手机的背板开始采用那种流光溢彩的颜色,原理就是采用了一些微结构调光的技术,以此来呈现绚丽的颜色; 而如果能做到纳米级,那么对光的调控维度就更大,能实现更细致和独特的效果,进一步提升产品的差异化和美感。

徐挺的下一个计划,是让用光绘画由静变动。主流的显示技术基本上都是动态的,但微纳结构本身受限于固定的材料结构,如何实现动态仍在进一步研究当中。

他设想,将来通过一些辅助设备对光的角度和强度调节,有望实现在同一个结构上,稍加调整就能展现出另一副油画,图像可以动态切换过去,而不像现在这样只能固定投射出一幅画。

参考:

本文相关词条概念解析:

颜色

词目:颜色,拼音:yánsè,颜色是通过眼、脑和我们的生活经验所产生的一种对光的视觉效应,我们肉眼所见到的光线,是由波长范围很窄的电磁波产生的,不同波长的电磁波表现为不同的颜色,对色彩的辨认是肉眼受到电磁波辐射能刺激后所引起的一种视觉神经的感觉。

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