本文由Light科普坊出品

撰稿：焦述銘

審稿：高輝

導(dǎo)讀

每當(dāng)看到凹面鏡、凸透鏡、柱狀微透鏡光柵、結(jié)構(gòu)光測(cè)量條紋、納米壓印薄膜……這些專業(yè)的光學(xué)術(shù)語(yǔ)，會(huì)以為自己走進(jìn)了某個(gè)光學(xué)工程實(shí)驗(yàn)室。但其實(shí)，這些光學(xué)器件和裝置也會(huì)現(xiàn)身在世界頂級(jí)藝術(shù)展上。

巴塞爾藝術(shù)展是全球最負(fù)盛名的藝術(shù)展會(huì)之一，每年分別在瑞士巴塞爾、美國(guó)邁阿密、法國(guó)巴黎和中國(guó)香港四地舉辦，吸引了眾多來(lái)自世界各地的畫(huà)廊、藝術(shù)家和收藏家，從經(jīng)典大師到先鋒實(shí)驗(yàn)藝術(shù)，展覽的藝術(shù)品包羅萬(wàn)象。2025年巴塞爾藝術(shù)展香港展會(huì)在3月底舉辦，匯聚了來(lái)自42個(gè)國(guó)家和地區(qū)的240間畫(huà)廊，呈現(xiàn)了豐富多元的全球藝術(shù)創(chuàng)意。

如今藝術(shù)與科技跨界融合正逐漸成為潮流，今年香港展會(huì)上自然也可以看到不少光學(xué)技術(shù)賦能之下的藝術(shù)品。

凹面鏡中的虛空世界

在本次展會(huì)上，參展的多家畫(huà)廊墻壁上不約而同秀出的一個(gè)個(gè)“大鍋”非常引人注目，這些色調(diào)不同的相似金屬鏡面作品，都來(lái)源于同一個(gè)創(chuàng)作者：印度裔英國(guó)藝術(shù)家安尼什·卡普爾(Anish Kapoor)。這位藝術(shù)家可是大有來(lái)頭，獲獎(jiǎng)眾多，作品在世界各地巡回展出。對(duì)于光學(xué)人來(lái)說(shuō)，看到后會(huì)產(chǎn)生第一反應(yīng)：“這不是平常所熟知的凹面鏡嗎?”沒(méi)錯(cuò)，凹面鏡也正是安尼什·卡普爾大師的最愛(ài)。

圖1：2025年巴塞爾藝術(shù)展香港展會(huì)上印度裔英國(guó)藝術(shù)家安尼什·卡普爾的多件金屬凹面鏡作品

圖源：作者拍攝

相比于室內(nèi)的這幾件“小作品”，安尼什·卡普爾還在世界各地戶外擺放了多面巨型凹面鏡，這些名為《天空之境》(Sky Mirror)的系列作品就更加令人嘆為觀止了。其中2006年安裝在美國(guó)紐約洛克菲勒中心的凹面鏡，直徑達(dá)11米，重量超過(guò)23噸。

圖2：世界各地戶外展出的天空之境(Sky Mirror)系列作品：英國(guó)諾丁漢市區(qū)（左上），美國(guó)紐約洛克菲勒大廈（左下），英國(guó)倫敦肯辛頓公園（右）

圖源：Wikimedia Commons

從光學(xué)原理上來(lái)說(shuō)，凹面鏡可以將入射的平行光線會(huì)聚到一個(gè)焦點(diǎn)上，如果物體距離鏡面很近，在1倍焦距內(nèi)，會(huì)呈現(xiàn)出一個(gè)正立放大的虛像，也就是“哈哈鏡”的效果，而隨著物體距離的增大，在1倍和2倍焦距之間、2倍焦距處、大于2倍焦距三種情況下，分別會(huì)呈現(xiàn)出倒立放大、倒立等大和倒立縮小的實(shí)像。凹面鏡對(duì)于遠(yuǎn)處的物體，無(wú)論是大自然的藍(lán)天白云，還是紐約第五大道的繁華街景，都起到了“盡收眼底”的作用，將它們的圖像濃縮并上下顛倒。從安尼什·卡普爾的藝術(shù)家視角來(lái)看，凹面鏡是“虛空”的，同時(shí)又充滿了鏡像。它讓人去懷疑物體存在的狀態(tài)，去思考真實(shí)和幻象的關(guān)系[1]。

安尼什·卡普爾的另一件經(jīng)典作品是不銹鋼雕塑《云門》(Cloud Gate)，位于美國(guó)芝加哥世紀(jì)公園，雕塑表面經(jīng)過(guò)高度拋光，變得非常光滑，也相當(dāng)于曲面的鏡子。這座長(zhǎng)約20米、重達(dá)百噸的龐然大物同樣可以讓參觀者們從不同的角度觀賞自己和城市天際線在雕塑表面反射出的“失真”形象，如今已經(jīng)成為了芝加哥的網(wǎng)紅地標(biāo)之一。

圖3：擺放在美國(guó)芝加哥的安尼什·卡普爾雕塑作品《云門》(Cloud Gate)

圖源：Wikipedia

一個(gè)光滑的金屬表面可以將大多數(shù)光線反射，而另外一類材料表面卻相反，會(huì)將大多數(shù)光線吸收，看起來(lái)顏色是黑色的。不過(guò)普通的黑色顏料還是“不夠黑”，吸光率有待進(jìn)一步提升。近年來(lái)，研究者致力于開(kāi)發(fā)可以盡可能吸收幾乎全部光線的純正黑色顏料。2014年，英國(guó)Surrey NanoSystems公司開(kāi)發(fā)出了一種梵塔黑（Vantablack）的新型顏料 [2] ，是世界上已知最黑物質(zhì)之一，由隨機(jī)排列的碳納米管組成，可吸收最高達(dá)99.965%的可見(jiàn)光波段電磁輻射，因?yàn)楫?dāng)光線射入碳納米管“迷宮結(jié)構(gòu)”后，有去無(wú)回，被困住難以逃脫，只會(huì)在管壁之間來(lái)回反射，直到最后消失轉(zhuǎn)換為熱能為止。這項(xiàng)光學(xué)新研究成果也被安尼什·卡普爾在作品中大量使用，成為他作品中光學(xué)科技與藝術(shù)融為一體的另一個(gè)例子。

扭曲變形的條紋

展會(huì)上可以看到一件年代久遠(yuǎn)的裝置藝術(shù)品，是由阿根廷藝術(shù)家胡里奧·勒帕克(Julio Le Parc)在1969年所創(chuàng)作。或許這位藝術(shù)家當(dāng)年自己也沒(méi)有想到，作品其中的設(shè)計(jì)思想，會(huì)與三十多年后流行起來(lái)的一項(xiàng)光學(xué)技術(shù)緊密相關(guān)。

圖4：展會(huì)上亮相的阿根廷藝術(shù)家胡里奧·勒帕克(Julio Le Parc)在1969年創(chuàng)作的一件作品

圖源：作者拍攝

這件裝置外表看起來(lái)像一個(gè)立柜，包含上下幾個(gè)格子，在每個(gè)格子中左右兩側(cè)中的一側(cè)，貼著一張印有均勻平行分布的黑色條紋的白紙，在另一側(cè)擺放著一面波浪形的鏡子。如果鏡子是平面的，由于反射像和物體是對(duì)稱的，無(wú)論從哪個(gè)角度看，鏡中的黑白條紋仍然是均勻平行的。但當(dāng)鏡子表面變成凹凸不平之后，相當(dāng)于凹面鏡或凸面鏡，對(duì)物體圖像會(huì)進(jìn)行一定放大縮小，從另外一個(gè)角度觀看，鏡中的黑白條紋就會(huì)扭曲變形，隨著鏡子表面的凹凸形狀，變得彎彎曲曲，粗細(xì)不均。不僅如此，當(dāng)切換不同角度觀看鏡中像時(shí)，條紋還會(huì)來(lái)回動(dòng)態(tài)變化（如視頻中的效果），這種可以充分與觀看者互動(dòng)的藝術(shù)裝置，也是創(chuàng)作者的設(shè)計(jì)初心[3]。

視頻1：這件作品與觀看者交互的動(dòng)態(tài)效果

視頻源：作者拍攝

原本均勻平行的條紋會(huì)隨著凹凸不平的鏡子表面，產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的扭曲變形條紋作為鏡中像，這應(yīng)該是很久之前人們就觀察到的日常現(xiàn)象了，經(jīng)胡里奧·勒帕克之手，制造出了藝術(shù)效果。那么更進(jìn)一步，這一個(gè)有趣的現(xiàn)象是不是會(huì)有實(shí)際用途呢？我們根據(jù)鏡子中條紋是怎樣扭曲變形的，是不是可以反過(guò)來(lái)推測(cè)出鏡子表面各個(gè)位置的曲率，巧妙實(shí)現(xiàn)對(duì)于光滑反射表面形狀的非接觸式測(cè)量？

不過(guò)這一個(gè)好想法直到本世紀(jì)才得到廣泛研究和應(yīng)用，背后得益于可以顯示條紋圖案的便攜式電子屏幕以及方便拍攝鏡中圖像的數(shù)碼相機(jī)的廣泛普及。2004年德國(guó)M. C. Knauer等研究者發(fā)表的一篇論文，提出了“相位測(cè)量偏折術(shù)(Phase Measuring Deflectometry, PMD)”的新方法[4]，所使用的光學(xué)裝置其實(shí)并不復(fù)雜，仍然和這件藝術(shù)品異曲同工，最終通過(guò)專門的數(shù)學(xué)算法，可以將被測(cè)物體表面的形貌恢復(fù)出來(lái)。近二十年間，這項(xiàng)技術(shù)發(fā)展迅速，可以應(yīng)用在對(duì)于高精密加工中的零件，超精密加工中的光學(xué)元件，航空航天領(lǐng)域的渦輪葉片，天文望遠(yuǎn)鏡中的反光鏡面組合，汽車工業(yè)中的高亮車身等各種物體的表面測(cè)量中[5]，精度最高甚至可以達(dá)到納米級(jí)別。

圖5：相位測(cè)量偏折術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[4]

由此可見(jiàn)，一件藝術(shù)品中也可能蘊(yùn)藏著未來(lái)重要技術(shù)起源的靈感。

微透鏡陣列光柵下的若隱若現(xiàn)

孟加拉裔英國(guó)藝術(shù)家拉娜·貝根(Rana Begum)的這一系列作品所體現(xiàn)的視覺(jué)效果非常簡(jiǎn)單直接，也就是從水平方向不同視角觀看同一幅作品的時(shí)候，每個(gè)方格可以在兩種或多種顏色之間切換。

圖6：孟加拉裔英國(guó)藝術(shù)家拉娜·貝根(Rana Begum)創(chuàng)作的一系列“變色方格”作品

圖源：作者拍攝

這是一種稱為“雙重畫(huà)”的常用光學(xué)技術(shù)，背后的秘密在于每一個(gè)變色方格的表面都覆蓋上了一層柱狀微透鏡光柵。原始方格的圖像被劃分成一個(gè)個(gè)豎直的細(xì)長(zhǎng)條形區(qū)域，與光柵中的一個(gè)個(gè)微小的圓柱形透鏡相對(duì)應(yīng)，相鄰的兩個(gè)豎條分別標(biāo)記為左（L）和右（R），分別為兩種不同顏色，兩者相互交錯(cuò)，使得整個(gè)方格變?yōu)閮煞N顏色的復(fù)合體。覆蓋上柱狀微透鏡光柵之后，由于透鏡對(duì)光的折射作用，使得所有標(biāo)記為左（L）的豎條被投射到一個(gè)方向，組合成一個(gè)顏色的畫(huà)面，所有標(biāo)記為右（R）的單元投射到另一個(gè)方向，組合成另一個(gè)顏色的畫(huà)面，實(shí)現(xiàn)了變色的效果。當(dāng)然，相互切換的兩個(gè)畫(huà)面可以不僅僅顏色不同，甚至還包括完全不一樣的內(nèi)容。

視頻2：上圖顏色變化的效果

視頻源：作者拍攝

而同樣是利用這一裝置，如果預(yù)先設(shè)計(jì)兩個(gè)稍有差異的畫(huà)面，投射到兩個(gè)分別對(duì)應(yīng)于人的左眼和右眼的方向，以模擬真人雙眼觀看三維世界時(shí)的雙目視差，就可以讓觀看者不需要佩戴眼鏡，體驗(yàn)到一定的三維顯示效果。

圖7：柱狀微透鏡光柵用于裸眼雙目視差三維顯示的工作原理

圖源：Wikipedia

展會(huì)上還有一件由新加坡藝術(shù)家Suzann Victor創(chuàng)作的作品，會(huì)讓光學(xué)人感到“眼熟”。裝置中圓形背景板上包含了各種不同圖片，由一個(gè)個(gè)大小凸透鏡組成的陣列籠罩在上面，觀看者看到的是凸透鏡作用之下發(fā)生一定變換的圖像。

圖8：新加坡藝術(shù)家Suzann Victor創(chuàng)作的一件包含很多透鏡的作品

圖源：作者拍攝

這一作品的設(shè)計(jì)與光學(xué)上另一種重要的三維顯示技術(shù)——集成光場(chǎng)三維顯示[6]有幾分相似。如果藝術(shù)品裝置中的這些透鏡尺寸大幅度縮小，構(gòu)成一個(gè)微透鏡陣列，并且背景板上是一個(gè)立體元圖像陣列(Elemental Image Array, EIA)，包含了一個(gè)三維物體上下左右前后各個(gè)不同視角拍攝的圖像，經(jīng)過(guò)各個(gè)微透鏡的光折射，可以在觀看者眼前重建出一個(gè)虛擬的三維物體圖像，相比于以上提到的雙目視差三維顯示的效果更加逼真和身臨其境。

圖9：集成光場(chǎng)三維顯示技術(shù)[6]

微納尺度下的精雕細(xì)琢

展會(huì)上還有一件作品獲得了很高的觀眾回頭率，即使是藝術(shù)外行小白，也可以感受到其中的五彩斑斕之美。那么這些彩虹般的顏色是如何產(chǎn)生的呢？

圖10：韓國(guó)藝術(shù)家李知妍創(chuàng)作的作品《污漬-彩虹森林》(Stain-Rainbow Forest)

圖源：作者拍攝

這些圓形薄膜表面看似光滑，其實(shí)凹凸不平，“溝壑縱橫”，在小于1微米的尺度上（一根頭發(fā)絲的直徑為幾十微米），包含各種精細(xì)的結(jié)構(gòu)，尺寸與可見(jiàn)光的波長(zhǎng)相近。當(dāng)透過(guò)薄膜照射過(guò)來(lái)的光，或者在薄膜表面反射的光，遇到這些非常微小的結(jié)構(gòu)（相當(dāng)于光柵），會(huì)發(fā)生衍射效應(yīng)，不同位置產(chǎn)生的衍射光場(chǎng)還會(huì)相互干涉，造成光強(qiáng)度增強(qiáng)或減弱，而紅橙黃綠青藍(lán)紫不同顏色的光波長(zhǎng)不同，產(chǎn)生的衍射效應(yīng)有差異，最終會(huì)造成不同顏色的光朝不同方向傳播，在觀看者眼中，每個(gè)圓形薄膜不同位置就會(huì)呈現(xiàn)出不同顏色。

平時(shí)生活中一個(gè)類似例子是，當(dāng)熟牛肉被切成片之后，牛肉組織的紋理也會(huì)在表面形成細(xì)微的凹凸結(jié)構(gòu)，發(fā)揮反射光柵的作用，使得牛肉片看起來(lái)具有彩色的光澤。大可放心的是，這并不是食品安全問(wèn)題，只是自然光學(xué)現(xiàn)象。

這件作品的介紹標(biāo)簽里還明確提到，使用了“納米圖案復(fù)制技術(shù)(nano patterning replication technology)”。在一片薄膜表面上加工出精細(xì)的結(jié)構(gòu)，和在一件硅片上刻蝕出復(fù)雜的集成電路，是一個(gè)類似的任務(wù)。為了將同樣的納米級(jí)圖案大規(guī)模復(fù)制，在大量不同的載體上快速“雕刻”出同樣的微小結(jié)構(gòu)，掩模光刻和納米壓印都是常見(jiàn)的方法。

掩膜光刻是通過(guò)曝光將掩模板上的圖案轉(zhuǎn)移到涂有光刻膠的器件上，用于芯片等器件的加工。而納米壓印類似于平時(shí)的蓋章過(guò)程，首先需要制造一個(gè)包含要加工的凹凸結(jié)構(gòu)圖案的模板作為“印章”，每次把這一“印章”壓在柔軟的納米壓印膠（相當(dāng)于是印泥）上，這樣就實(shí)現(xiàn)了圖案的復(fù)制和轉(zhuǎn)移，納米壓印膠在一定條件下，比如溫度變化和特殊光照射，可以固化成型。

這件藝術(shù)品介紹標(biāo)簽中所提到的技術(shù)有可能指的就是納米壓印技術(shù)，可以使用同一個(gè)壓印模板，加工復(fù)制出一片又一片包含納米級(jí)微小結(jié)構(gòu)的薄膜。該技術(shù)現(xiàn)在已被應(yīng)用在如光學(xué)器件、存儲(chǔ)器、柔性器件、生物傳感器等多個(gè)領(lǐng)域[7]。

在今年的巴塞爾藝術(shù)展香港展會(huì)上，其實(shí)不僅僅是光學(xué)技術(shù)，人工智能大模型、虛擬現(xiàn)實(shí)、高清視頻、新型材料、先進(jìn)加工等各項(xiàng)新技術(shù)都可以在一件件藝術(shù)品中找到身影，科技與藝術(shù)之間在不斷地碰撞出新的火花。

參考文獻(xiàn)

[1] 在世界的顛倒之處聚焦

https://www.sohu.com/a/366496820_406804

[2] S. P. Theocharous, E. Theocharous, and J. H. Lehman, “The evaluation of the performance of two pyroelectric detectors with vertically aligned multi-walled carbon nanotube coatings,”Infrared Physics & Technology 55(4), 299–305 (2012).

[3] https://www.artsy.net/artwork/julio-le-parc-formes-virtuelles-par-deplacement-du-spectateur-5

[4] M. C. Knauer, J. Kaminski, and G. H?usler, “Phase measuring deflectometry: a new approach to measure specular free-form surfaces,” Proc. SPIE 5457, 366–376 (2004).

[5] 劉小紅,魏鑫雨,常曉威,李玥華,周京博,張宗華，相位測(cè)量偏折術(shù)研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)，激光與光電子學(xué)進(jìn)展, 62(23)(2025).

[6] J.-H. Park, K. Hong, and B. Lee, Recent progresses in three-dimensional information processing based on integral imaging, Applied Optics 48(34),H77-H94 (2009).

[7] 張笛,張琰,孔路瑤,程秀蘭，納米壓印技術(shù)的發(fā)展及其近期的應(yīng)用研究[J]，傳感器與微系統(tǒng)，41(5)，1-5 (2022)

本文轉(zhuǎn)載自《中國(guó)光學(xué)》微信公眾號(hào)

《物理》50年精選文章