光学隐形：从虚构到技术现实

　　光学隐形通过引导光线绕过隐形内的任何物体，可以将物体隐藏在视线范围内。 虽然隐形在小说中很流行，但近年来研究人员已经开始实现通过控制物体周围的电磁辐射流来屏蔽物体的隐形。韩国仁荷大学，美国密西根大学以及北美丰田研究所的研究人员研究了在自然非相干光中工作并且可以使用标准光学组件实现的隐形斗篷的最新进展。相关研究发表在《Journal of Applied Physics》上。

　　

　　隐形斗篷可能在战争、监视、车辆、航天器和高效太阳能电池中的盲点消除等传感和显示设备中具有广泛的应用。完美的光学隐形要求电磁波在物体周围以所有角度，所有极化，以及在很宽的频率范围内完全散射，而与介质无关。然而，在过去的二十年里，通过简化隐身要求，在窄带微波、红外和光学波长中，实现了球形变换斗篷、地毯斗篷、等离子体斗篷和地幔斗篷的创新工作。这里，研究人员从球面变换光学到非欧几里德情况，回顾了隐形斗篷的理论基础，并讨论了它们的局限性。重点介绍了实现可重构智能隐形衣的最新趋势，以克服宽带操作和单向隐形并行工作的传统限制。由于人眼对可见光的相位和偏振不敏感，近年来通过消除相位保持的要求，发展了一类光线光学隐身装置。值得注意的是，研究人员专注于使用标准光学元件在自然非相干光下的隐形斗篷。最后，展望了光学斗篷在日常生活中的潜在应用和实用性。

　　

　　他们表明，尽管使用一系列复杂且昂贵的制造方法，在窄波长范围的很小区域内，已经开发了基于超材料和超表面的隐形斗篷，但使用商用光学元件的简单实现是有利于基于射线光学的斗篷的关键点之一。此外，对于基于超材料和超表面的隐身结构，隐身比定义为隐身区域的面积与整个隐身装置的面积之比相对较小，使得它们与基于镜子、棱镜和偏振器的隐身装置相比难以应用于实际应用。为了进一步提高隐形比，可以使用透镜压缩传播光的光束直径，以相对于先前由镜子和棱镜构成的隐形设计最小化隐形结构的总尺寸。然而，镜头的可接受角非常窄，所以用镜头实现的隐形系统提供了一个很窄的视场，这可以通过利用数字整体隐形来改善。虽然减少基于超材料和超表面的隐形装置的反射是最大的挑战之一，但方便高效的宽带抗反射涂层很容易用于基于射线光学的隐形装置。另外，机器学习算法在发现多维数据集中的隐藏模式方面变得更加智能，导致分类、回归、聚类和问题降维，所有这些仅仅靠人工手段几乎是不可能的。在设计实用隐形装置时，机器学习除了解决逆向设计问题外，算法可以成为预测和分析隐身装置或探测器光学响应的有力工具，而无需耗时和昂贵的模拟，这将使“智能隐身”成为可能，这种“智能隐身”能够适应运动、形状和环境。机器学习方法也可用于设计具有改进和定制特性的光学元件，以便它们能够可用于大面积的整个可见光谱，无像差。

　　

　　尽管现在仍面临许多挑战，但不可否认的是，近年来，光学隐形已成为事实，而不是小说中的想法。有用的隐形装置已成功实现超越电磁学，包括声学、热学和流体装置，因为与光学装置相比，它们具有低损耗的物理特性。虽然大多数研究都集中在基础物理学和隐身装置概念设计的证明上，但值得指出的是，现代社会对隐形的需求在未来仍然很高。从现代战争、监视、车辆、航天器和高效太阳能电池中的盲点消除等领域的明显应用开始，传感和显示设备的应用几乎是无穷无尽的。虽然因果关系和被动性的限制需要物理学上的根本性突破，但利用人工智能和增材制造的最新发展来改进针对特定应用场景调整的低调实用的被动或主动斗篷具有巨大的潜力。

　　

　　随着人工智能辅助设计和增材制造能力的快速发展，可以预见，能够在所有入射角下有效工作、具有高隐身比和宽视场的柔性隐身衣可以实现低成本、高效率的批量生产。未来，可能会看到一些看似无关的研究领域之间的相互作用，为享受光学隐形技术铺平道路。