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以多重透鏡顯示器呈現 3D 深度

only-perception
・2011/11/12 ・864字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 535 ・七年級

上個月於日本舉行的 CEATEC 2011 展出不少款 3D 顯示器,紛紛以「裸眼(glasses-free)」這項特色做為號召,不過在其中一款 3D 顯示器簡報中所提到的技術格外令人感興趣。日本筑波大學(Tsukuba University)的研究者展示一款 3D 顯示器原型,那在焦深(focal depth)上運用了多層次透鏡並強化 3D 影像的深度知覺。當前方物體位於焦距內時,後方的就會變模糊。當你觀看位於後方的物體時,那些在前方的就會變模糊。

這款顯示器的核心特色為:它能夠重現焦深。根據影片所提到的,這款顯示器將提供二種版本。其中一款,透鏡陣列的連結處很平順。當你移動你的頭,圖像會平順地呈現。這款顯示器有 76 個視點(viewpoints),重現自然運動視差(natural motion parallax)。另一種版本有 50 個視點與更高的解析度,那透過非對齊中央的(non-aligned centers)透鏡辦到。

一般的裸眼 3D 顯示器只有水平視差,不過在 50 個視點的例子裡,有 10 個水平視差與 5 個垂直視差。不管你水平移動或是垂直移動,圖像都會變化。換言之,這款顯示器的特色就是,當你躺下而你的頭橫著看時,你可以看見 3D 圖像。癥結在於解析度。

“這款顯示器的解析度約 200 x 200,所以那還不夠,” 掛谷英紀(Hideki Kakeya)教授表示。”不過此系統的特點之一是,如果你沒有單一高解析度面板,你可以運用小面板的陣列,當透鏡經過排列,你可以將邊框(bezels)隱藏。” 這樣做很花錢,不過在實作上要增加解析度不難。

在進行他的研究時,掛谷的目標基準並非娛樂產業,而是這種技術如何能為了特殊目的而播放 3D 場景。

他的目標是即時互動場景,在此,觀者需要密集地感知 3D 空間 — 遠端操控的機器人、3D 繪製、手術模擬等等都是例子。

據報導,這款 CEATEC 展的主要應用是透過遠端操控的機器人拾起物件。這樣的操作,如同其他的,將需要深度能被精確的顯示。

在 CEATEC 之外,掛谷教授的研究聚焦在利用粗整合體積成像(coarse integral volumetric imaging,CIVI)的精確深度知覺上。這在最近的一篇論文中被定義成:藉由引進多層次化結構,結合多視角(multi-view)與體積解(volumetric solutions)以整合成像的 3D 顯示技術。

資料來源:PHYSORG:Prototype uses multi-lens display for 3-D depth[November 7, 2011]

轉載自only-perception

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only-perception
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妳/你好,我是來自火星的火星人,畢業於火星人理工大學(不是地球上的 MIT,請勿混淆 :p),名字裡有條魚,雖然跟魚一點關係也沒有,不過沒有關係,反正妳/你只要知道我不是地球人就行了... :D

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什麼是「視差」?為何它讓古天文學家以為地球不會動?——天文學中的距離(二)
ntucase_96
・2021/10/08 ・2728字 ・閱讀時間約 5 分鐘

  • 撰文|許世穎

本文轉載自 CASE 科學報天有多大?宇宙中的距離(2)—從太陽到鄰近恆星

「視差(parallax)」是天文學家常用來量測距離的好工具。藉由視差,我們得以精準的量測地球到太陽的距離,再更進一步量測周遭恆星的距離。目前直接量測距離的方法中,視差是能量測最遠的一種,目前的極限大約是 1 萬光年。天文學家利用視差的概念已經很久了。然而在中古世紀,視差量測的結果卻讓當代的天文學家得出了「地球不會動」的結論……

圖/Pixabay 

太陽的距離:金星凌日、視差法

前作〈天有多大?宇宙中的距離(1)—從地球到太陽〉提到,我們可以在金星凌日的時候,藉由「視差(parallax)」來量測地球與金星的距離,並間接得到太陽的距離。「視差」就是「因為觀察位置不同,讓看到位置也不同」的現象。讀者們可以試試看,伸出一隻手指頭比個「1」、放在眼前大約 50 公分左右的地方。接著兩眼輪流交替閉上。如果讀者們真的有照做的話,應該會發現手指頭相較於背景來回大幅度地跳動。仔細觀察的話,會發現背景並不是不動,只是幅度很小而已。

圖 1:視差示意圖。隨著觀察位置的不同,不同距離的物件看起來相對位置會不同。近距離的物件差異會比較大。圖/維基百科

從這個實驗我們得到幾個結論:(1)從不同的眼睛看出去,看到的物品位置會不同。這個現象就是視差;以及(2)距離愈近的東西,這個差異會愈大,也就是視差愈明顯(如圖 1)。我們可以根據這個視差的效果,來推算出物體的距離。

其實這也就是我們的眼睛判斷距離的方法!每個不同距離的物品從我們的左右眼看出去的位置差異不同。這兩個影像經過大腦判斷後,我們就可以得到距離的資訊。這也是 VR 實境立體畫面的原理。開發者先計算出每個物件在各自的距離下,兩眼會看到的視差效果。接著根據計算結果給予兩隻眼睛看到不一樣的畫面,我們的大腦就會自動合成出立體的圖像!

「兩個觀察位置的距離」稱為「基線(baseline)」,會影響視差的效果。一般而言,基線愈長,看到的視差就愈明顯。前面說到:「距離愈近的物品,視差會愈明顯。」換句話說,距離太遠的東西,視差就愈不容易觀察到。天文學家盡可能的把基線拉大,在兩個相距很遠的地方觀察天體,才能更精確的得到這些天體的距離。金星凌日發生的時候,科學家就是在地球找兩個相距很遠的地點做觀測,才有辦法測量出較為精確的金星視差,換算成金星的距離,最後計算出地球至太陽的距離。

鄰近恆星的距離:視差法……?

恆星當然也有視差了。提到量測恆星的視差,一定要提到 16 世紀著名的丹麥天文學家第谷.拉赫(Tycho Brahe)。當時還是個在爭論「地心說」、「日心說」的時代。他想利用恆星的時差來推論「地球到底會不會動」。如果「日心說」是對的,那麼隨著地球位置的不同,應該要看到恆星的視差。如果「地心說」才是對的,那麼因為地球的位置不變,不管怎麼觀察,恆星都不會出現視差。

在「日心說」的假設下,最遠的兩個觀察點是哪裡呢?可不是地球的兩端,而是「相隔 6 個月的地球」!可以想像,如果地球繞著太陽每一年繞轉一圈的話,那麼相隔 6 個月的地球會在太陽的兩端,這個間距可比地球的兩端大多了(見圖 2)!既然兩個觀測點是地球在太陽兩端,就代表基線(兩個觀測點間距)就是 2 倍的「日-地距(地球到太陽距離)」。用前面的方法得到的「日-地距」愈精確,那麼藉由視差法測出來到恆星的距離就能愈準。

圖 2。圖/網路天文館

為了精密的量測恆星的位置,必須要有非常良好的天文台。第谷可是丹麥的貴族啊!他直接花錢蓋了一棟天文台來量測、紀錄星星的位置,卻發現怎麼樣都量測不出恆星的視差。這代表了兩個可能性,一個是「地球不動」,另一個可能性就是「恆星太遠」。第谷認為,如果恆星真的這麼遠,而我們在地球上還是看得到的話,這些恆星未免太大了!他認為這不太可能,因此認定「地球不動」。

那到底哪裡出錯了呢?用一個簡單的例子來說明:「拿捲尺去量一張紙的厚度,當然怎麼量厚度都是 0 公分啊!」其實第谷的推論完全合理,量測不到恆星視差的原因真的就是因為「恆星太遠」,所以視差太小而無法看到。從現代的數據我們可以回推他當時的情況,太陽以外最近的一顆恆星是位於「半人馬座」裡的「比鄰星(Proxima Centauri)」,距離是 4.22 光年。產生的視差比第谷使用的天文台精密度還要更小了好幾倍!他所推估這些恆星的大小從現在眼光來看也非不合理,只是真的難以想像。

現在的我們有了更良好的儀器,已經可以靠視差來推算恆星的距離了。不過視差法曠日費時,倒也不難理解,畢竟要有好的基線要等半年啊……而且儀器的辨識率也是有極限的,目前視差法的極限差不多是 10 微角秒(1 角秒為 1/360 度) [2],相當於十億分之一度!換算成能量測到的距離極限,差不多是 1 萬 6 千光年左右。聽起來很多嗎?銀河系的直徑約 10 萬至 18 萬光年,這個距離極限連銀河系都看不穿。所以視差法雖然好用,但只能拿來測量鄰近恆星的距離(見圖 3)。

圖 3:哈伯太空望遠鏡所能精準定位距離的恆星範圍。內層是過去的極限約1,600光年,外圈是現在的極限,約10,000光年。雖然已經很厲害了,但其實連銀河系都還看不穿。圖/改自 NASA, ESA, A. Feild (STScI), A. Riess (JHU/STScI), S. Casertano (STScI/JHU), J. Anderson and J. MacKenty (STScI), and A. Filippenko (University of California, Berkeley)

視差法是直接量測距離的盡頭了。想要把銀河系看穿、想要知道銀河系中其他成員們的距離,我們得開始「間接量測」。先做出一些物理學上的假設,才能夠「猜」出距離。想要知道更遙遠的距離,則需要更多的假設,這個概念叫做「宇宙距離階梯(cosmic distance ladder)」。下一篇文章中,我們將帶大家進行恆星的「人口普查」,並且利用普查結果來得到更遙遠的距離。

參考資料

  1. pixabay / martinklass
  2. wiki / Parallax
  3. 網路天文館 / 恆星的距離測量


本系列其它文章
天有多大?宇宙中的距離(1)—從地球到太陽
天有多大?宇宙中的距離(2)—從太陽到鄰近恆星
天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」

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ntucase_96
30 篇文章 ・ 681 位粉絲
CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。

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笛卡爾與三葉蟲有什麼關係?
活躍星系核_96
・2016/01/12 ・5850字 ・閱讀時間約 12 分鐘 ・SR值 516 ・六年級

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文:俞欣豪( 認知科學博士,目前是澳洲莫納許大學 (Monash University) 的研究員。專長是靈長類動物的視覺系統。)

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source:wikimedia

法國哲學家笛卡爾在一六三七年發表了《幾何學》(La Géometrie)。這篇長文是《方法論》的一部份,它首創分析幾何學,是西方文明最重要的著作之一。不過這本書中的一張插圖有錯,一直要等到將近四個世紀後的公元兩千一二年才被發現。奇怪的是發現這個錯誤的人,不是數學家,不是歷史學家,而是研究三葉蟲的古生物學家。

為什麼古生物學家會鑽研笛卡爾?笛卡爾跟三葉蟲到底有什麼關係?

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被發現有錯誤的圖。來源:笛卡爾《幾何學》的第二冊

這張有錯誤的圖出現在《幾何學》的第二冊。笛卡爾在這裡解釋如何繪製一種我們今日稱為「笛卡爾橢圓」(Cartesian ovals)的平面曲線。為什麼笛卡爾要大費周章研究這種曲線?這個問題不是很容易解答,連笛卡爾自己都沒有在書裡解釋清楚,我們要稍微瞭解一下笛卡爾的學術生涯才行。

跨足多領域的學術生涯

笛卡爾在一六三七年發表了《方法論》(Discours de la méthode)。他在這本書裡討論如何用理性思維精確地獲得知識。眾所皆知的「我思故我在」,就首次出現於《方法論》的第四講。有些介紹笛卡爾的文章太過於強調《方法論》裡抽象的哲學思維,讓讀者以為笛卡爾用《方法論》當工具,得到最重要的成果,是證明了上帝與自我的存在。其實《方法論》只是導論,笛卡爾在《方法論》後附上三篇長文,用來展示這種思考方式得到的成果。這三篇長文分別是:《氣象學》(Les Météores)、《折光學》(La Dioptrique)、與《幾何學》(La Géométrie),這說明了笛卡爾相信他的方法學,主要的應用是在於自然科學與數學。

笛卡爾的思考是非常深刻而且多樣化的,這三篇長文討論三個看似獨立的主題,其實有許多共同的脈絡。以《折光學》為例,笛卡爾在《折光學》的第二講裡推導出了光波折射,入射角與折射角之間的數學關係[1]。這是一個了不起的成就,因為它是解釋許多自然現象的關鍵。例如《氣象學》就利用這個公式解釋彩虹的形狀。更重要的是在《折光學》裡,笛卡爾把折射定律運用在人體最重要的光學器官 — 眼睛。他解釋了影像是如何投射在視網膜上,推測近視與遠視的成因,並且討論如何用透鏡彌補眼睛構造天生的不足。為了看到肉眼不能看到的東西,笛卡爾分析了放大鏡、望遠鏡、顯微鏡的原理。《折光學》展現出來的務實的笛卡爾,他追隨法蘭西斯·培根等人的論點,致力於發展一種為人類需求服務的知識。

講起務實,笛卡爾可能比大部分人的想像還要務實的多。《折光學》最後一講描述一種機器,在理論上可以自動磨出前所未有的高品質鏡片。事實上在《折光學》發表之前,笛卡爾就已經花了超過十年的時間研發這種機器。在一六二零年代,笛卡爾還住在法國的時候,他就跟工匠合作試圖磨出特殊設計的鏡片。體弱多病,一天到晚躲在房間裡的笛卡爾,甚至在工廠裡親自監工。一六二九年笛卡爾移居荷蘭,不過還是不忘從遠方監督法國工廠的進度。用我們今日的話講,笛卡爾是十七世紀的新創公司創業者。當時的產業界跟今日沒有很大的差別,也是有許多競爭者,有非常高的風險。笛卡爾花了大筆投資人的錢,雖然製造出了一些產品的原型,不過品質達不到期望的標準,最後放棄。在《折光學》的最後一章,笛卡爾乾脆把他的商業機密用開源(open source)的形式提供給歐洲學界,希望有別人能夠完成他的夢想。

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笛卡爾所設計的機器

透鏡在從中古時代被就用來矯正視力[2],所以磨透鏡在笛卡爾的時代並不是什麼新鮮事。不過十七世紀初,透鏡突然變成了不折不扣的高科技,這是因為伽利略這些科學家開始發展出高倍數望遠鏡。這些新的儀器除了有天文學的應用外,還有軍事價值,立刻就受到各界的注意。

完美的形狀,不完美的透鏡

當時的笛卡爾掌握了這方面的關鍵技術:他推導出來的折射定律,讓他成為最早能用分析性思維,探討透鏡跟視覺關係的人。這跟當時磨鏡片的工匠,用經驗法則行事,有很大的不同。此外,笛卡爾發明了分析幾何學。他把幾何與代數這兩個原來不相關的學問結合起來,發現許多困難的幾何問題,都能迎刃而解。這些發現最後發表在《幾何學》裡。

《幾何學》是數學史上最重要的著作之一,它的主要內容看似非常理論化,是要解決古希臘數學的幾何曲線分類問題,不過笛卡爾也沒有忽略分析幾何在解決實際問題上的威力。《幾何學》第二冊裡有相當的篇幅討論各種橢圓形的畫法,其實那些都是光線在不同介質裡折射問題的解。《幾何學》的這個部分,是在發展設計透鏡的數學工具。

十七世紀使用的光學鏡片,跟我們熟悉的放大鏡類似,都是球面鏡片。也就是說這些鏡片雖然不是球體,不過它們的兩個曲面,都是球面的一小部分。球面鏡片容易磨製,而且希臘人認為球體是完美的形狀,不難理解為什麼用在鏡片上。笛卡爾用他自己發明的數學工具分析成像,發現球面鏡片有重大的缺點,那就是遠方傳來的平行光,在球面鏡片的彎折後,不會聚焦在同一點上,因此造成模糊的影像。這個現象我們今日稱為「球面像差」(spherical aberration)。

笛卡爾推導出非球面鏡片的公式,用來解決球面像差的問題。根據史料,歷史學家相信笛卡爾用手工磨片的方法,製造出了少量的非球面鏡片,但因為精確度的問題,這些鏡片並沒有比一般的球面鏡片優秀。笛卡爾相信他設計的機器可以取代人工,可以大量的產生精確的非球面鏡片,不過理論畢竟跟實際有許多差距,笛卡爾花了十五年的時間跟不同的工匠合作,用盡了創業基金,還是沒有辦法實踐他的自動磨片機。

《折光學》出版後在歐洲的科學界引起了研究非球面鏡片的風潮,許多科學家都加入研發非球面鏡片的行列。例如說在一六九零年荷蘭科學家惠更斯(Christiaan Huygens)發表了《光學理論》Traité de la Lumière),在這本書裡,他不但描述了光的波動理論,還推導出了跟笛卡爾不一樣的非球面鏡片公式。牛頓也曾經試著研磨非球面鏡片,不過因為牛頓對於光學有更深入的了解,他發現校正球面像差並不能解決所有的光學問題[3],因此非球面鏡片並沒有笛卡爾想像中的完美。非球面鏡片的製成技術因為難度高,久久沒有突破,科學家漸漸把注意力轉移到反射望遠鏡以及其它光學科技上。非球面透鏡的問題,慢慢的被遺忘了。令人欣慰的是實踐笛卡爾構想,的確是有成功的例子。《折光學》發表三十年後的一六六七年,英國科學家 Francis Smethwick 第一次磨出高品質的非球面鏡片,因此製造出非常高效能的望遠鏡,不過他的設計沒有普及化。

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摩洛哥出土的三葉蟲 Erbenochile erbeni 化石。注意它精密的眼睛構造。圖出自 Fortey, R. & Chatterton, B. (2003) A Devonian trilobite with an eyeshade. Science 19, 1689.

由古老三葉蟲發展出新突破

笛卡爾的非球面鏡片沒有普遍化,不過奇怪的是演化這個「盲目的鐘錶匠」[4]居然在冗長的生物演化史中,製造出了非球面鏡片。這就得提起三葉蟲了。三葉蟲最早出現於五億三千萬年前,整整有三億年的時間,是地球上最成功的動物之一。三葉蟲的種類繁多,有超過上萬種物種。一般逛博物館的人對三葉蟲的印象是大型蟑螂。常見的三葉蟲化石,眼睛小而且構造看似原始,多數人大概不會想到有些三葉蟲是靠視覺捕殺獵物的動物。不過有些三葉蟲有非常精細的椱眼構造,吸引了視覺科學家的注意。

視覺科學跟古生物學沒有太大的重疊,那是因為動物眼睛裡的光學元件,如角膜與水晶體,大多是由細胞組成,這種軟組織不會留下化石,因此無法研究。三葉蟲是個例外。它們的複眼裡,折光的元件是生物體合成的方解石,是礦物,因此保留到今日。這是一個讓我們探索古生物的視覺系統的難得機會[5]。一九七五年古生物學家與物理學家合作,開始研究三葉蟲複眼裡透鏡的幾何結構,他們發現有兩個三葉蟲物種,透鏡的形狀跟笛卡爾、惠更斯提出的非球面鏡片,有驚人的相似性,因此推測它們的功能是對抗球面像差,用來增加視覺的感光度。

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摩洛哥出土的三葉蟲 Erbenochile erbeni 化石。注意它精密的眼睛構造。圖出自 Fortey, R. & Chatterton, B. (2003) A Devonian trilobite with an eyeshade. Science 19, 1689.

造物者的偏心?

這篇文章討論的主題實在是有點隱晦,古生物學,光學,數學史這些內容,應該是只有學者會有興趣。不過你要是用 Google 搜尋三葉蟲眼睛的資訊,就會發現有些基督教創造論的網站,在講三葉蟲。創造論信徒翻遍了所有科學文獻,不論什麼隱晦的內容,都可以拿來作為反對演化論的依據,連三葉蟲的眼睛構造這麼冷門的主題都不放過。這些文章通常充滿錯誤的科學知識,與邏輯謬誤,不值得在這裡詳細檢討。最重要的地方在他們誤解了笛卡爾非球面鏡片的意義。創造論者說因為三葉蟲的透鏡結構類似笛卡爾用數學推導出來的「完美鏡片」,所以可以推論這種眼睛構造,一定是完美的造物者設計出來的,不可能是演化的結果。

第一個問題是只有少數的三葉蟲物種有這種眼睛,不是所有的三葉蟲都有,因此我們得問為什麼造物者這麼偏心,給別的三葉蟲不完美的眼睛。更重要的問題是是笛卡爾的鏡片,是為了解決特定問題而設計出來的,用在顯微鏡與望遠鏡上,是理論上的最佳解[6],但作為生物的視覺器官,其實不是個好設計。三葉蟲用方解石作為透鏡,不像我們的水晶體可以依照需求改變形狀,是非常嚴重的缺陷,是盲目的演化過程陷入的死路,非球面透鏡是修正這種缺陷不得不演化出來的設計。三葉蟲的視覺系統比早期古生物學家的推測精密,不過跟現代動物比起來仍然是非常的原始,有許多嚴重缺陷,並不是創造論者所說的「完美眼睛」。

有點諷刺的是笛卡爾寫《折光學》,正是因為他分析人類眼睛的光學性質,發現它有許多缺陷。笛卡爾相信理性與科學知識,可以補償天性的不足。如果造物者給我們設計了完美的眼睛,那笛卡爾就不用研究非球面鏡片了。

上圖比較三葉蟲物種 Dalmanitina socialis 的透鏡構造,跟笛卡爾《幾何學》裡的插圖的相似性。有個令人擔心的地方,是這兩個東西的相似性,是不是高到在光學上有意義的程度。二零一二年出版的一篇論文對這個問題提出質疑[7],因為作者發現笛卡爾的插圖畫錯了!笛卡爾插圖中的非球面鏡片,底端有個尖角,不過如果你照著笛卡爾文字的指示做圖,就會發現正確的解答應該沒有那個尖角才對[8] 。Dalmanitina socialis 的透鏡下端有個小尖角,因此跟笛卡爾設計的透鏡其實有重要的不同。論文的作者猜測它跟球面像差無關。它的功能可能比較類似於我們用的雙焦眼鏡(bifocals):它的兩個焦點,可以降低方解石透鏡缺乏變焦功能所帶來的問題。創造論者愛講的「完美三葉蟲眼睛」,至少在 Dalmanitina socialis 這個例子上不能成立[9]。

這篇文章的標題叫「笛卡爾與三葉蟲」,你現在知道這兩個主題的關聯性,其實相當薄弱,可能只是個巧合罷了。不過笛卡爾在光學上的洞見,的確是在視覺科學上,有重要的影響。我們繞了這麼大一個圈子,多多少少還是值得的。

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非球面鏡片的三度空間模型。左邊是笛卡爾《幾何學》裡描述的鏡片。右邊是惠更斯《光學理論》裡描述的鏡片。兩者最大的差別在於笛卡爾的鏡片兩面都是非球面曲線,而惠更斯的設計只有一面是非球面。

探查科學的歷史,有一種方法是追問科學理論是在什麼文化與思想背景下形成的。另一種方法是試著親自動腦動手,追隨前人的思路。笛卡爾與惠更斯兩人都是難得的天才,是我們一般人難以相比的。不過隨著知識的進展,以及教育科技的普及化,今日的我們只要善用笛卡爾推導出來的折射公式,要獨立推導出笛卡爾與惠更的鏡片公式,完全不費吹灰之力。我只花了一個下午的時間,靠著數學軟體 Mathematica 的幫忙,就得到了笛卡爾思考多年才得到的結果。有趣的地方是三度空間印表機在這幾年已經進步到了可以印製光學元件的程度。也許幾年之後,我們只要下一個指令,就可以實體擁有這些鏡片,到時所有的人都可以輕易廉價的實驗各種各種光學元件。也許這是笛卡爾在《折光學》裡構想的機器,最終極的實踐吧。

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用三度空間印表機列印出笛卡爾鏡片的模型

註釋:

  • [1] 也就是所謂的「司乃耳定律」(Snell’s Law)。笛卡爾並不是第一個推導出這個定律的人,不過這裡他用跟前人不同的方法得到同樣的結論。
  • [2]小說《玫瑰的名字》的讀者也許記得主角威廉,是十四世紀的僧人,就帶著一副眼鏡。
  • [3] 例如說牛頓發現「色差」(chromatic aberration),也會影響成像的品質。色差造成的問題不能用笛卡爾的光學解決。
  • [4] Dawkins, R. (1986) The Blind Watchmaker: Why the Evidence of Evolution Reveals a Universe without Design.
  • [5] 最新的科技甚至讓科學家重建三葉蟲眼睛裡面感光神經的結構,三葉蟲因此是我們能研究最古老的視覺神經系統。見 Schoenemann, B. & Clarkson, E. N. K. (2013) Discovery of some 400 million year-old sensory structures in the compound eyes of trilobites. Scientific Reports 3, e1429。
  • [6] 光學理論要等到牛頓的時候才開始成熟。笛卡爾的光學基礎其實非常的原始。因為他沒有考慮到色差等因素,他的鏡片嚴格說起來並不完美。不過三葉蟲的水底視覺,色差的問題並不嚴重,在這裡可以忽略。
  • [7] Egri, A. & Horváth, G. (2012) Possible optical functions of the central core in lenses of trilobite eyes: spherically corrected monofocality or bifocality. J. Opt. Soc. Am. A 29, 1965.
  • [8] 笛卡爾在《折光學》裡也有一張插圖描述非球面透鏡,這張插畫就沒有那個尖角。可見笛卡爾只是在準備《幾何學》插圖時,犯了一個小錯誤。我跟 Horváth 教授通過信,他說這個錯誤的確是在幾百年之內沒有人注意到,一直要等他用數學方法模擬三葉蟲的眼睛結構時才無意發現。
  • [9] Crozonaspis 三葉蟲透鏡跟惠更斯透鏡的相似性,因為有比較直接的實驗證據,至今仍然被科學界認為是有對抗球面像差的功能。

參考資料:

  • Ribe, N.M. (1997) Cartesian optics and the mastery of nature. Isis 88, 42–61.
  • Burnett, D.G. (2005) Descartes and the hyperbolic quest: lens making machines and their significance in the seventeenth century. American Philosophical Society.

本文轉載自作職業科學家的業餘科學者

活躍星系核_96
752 篇文章 ・ 96 位粉絲
活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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以多重透鏡顯示器呈現 3D 深度
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這款顯示器的核心特色為:它能夠重現焦深。根據影片所提到的,這款顯示器將提供二種版本。其中一款,透鏡陣列的連結處很平順。當你移動你的頭,圖像會平順地呈現。這款顯示器有 76 個視點(viewpoints),重現自然運動視差(natural motion parallax)。另一種版本有 50 個視點與更高的解析度,那透過非對齊中央的(non-aligned centers)透鏡辦到。

一般的裸眼 3D 顯示器只有水平視差,不過在 50 個視點的例子裡,有 10 個水平視差與 5 個垂直視差。不管你水平移動或是垂直移動,圖像都會變化。換言之,這款顯示器的特色就是,當你躺下而你的頭橫著看時,你可以看見 3D 圖像。癥結在於解析度。

“這款顯示器的解析度約 200 x 200,所以那還不夠,” 掛谷英紀(Hideki Kakeya)教授表示。”不過此系統的特點之一是,如果你沒有單一高解析度面板,你可以運用小面板的陣列,當透鏡經過排列,你可以將邊框(bezels)隱藏。” 這樣做很花錢,不過在實作上要增加解析度不難。

在進行他的研究時,掛谷的目標基準並非娛樂產業,而是這種技術如何能為了特殊目的而播放 3D 場景。

他的目標是即時互動場景,在此,觀者需要密集地感知 3D 空間 — 遠端操控的機器人、3D 繪製、手術模擬等等都是例子。

據報導,這款 CEATEC 展的主要應用是透過遠端操控的機器人拾起物件。這樣的操作,如同其他的,將需要深度能被精確的顯示。

在 CEATEC 之外,掛谷教授的研究聚焦在利用粗整合體積成像(coarse integral volumetric imaging,CIVI)的精確深度知覺上。這在最近的一篇論文中被定義成:藉由引進多層次化結構,結合多視角(multi-view)與體積解(volumetric solutions)以整合成像的 3D 顯示技術。

資料來源:PHYSORG:Prototype uses multi-lens display for 3-D depth[November 7, 2011]

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妳/你好,我是來自火星的火星人,畢業於火星人理工大學(不是地球上的 MIT,請勿混淆 :p),名字裡有條魚,雖然跟魚一點關係也沒有,不過沒有關係,反正妳/你只要知道我不是地球人就行了... :D

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伽利略不是第一個用望遠鏡窺月的人?
科學月刊_96
・2012/10/11 ・2123字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 545 ・八年級

作者 邱韻如

1609年夏天,46歲的帕多瓦大學數學教授伽利略聽到有關望遠鏡的消息。那年冬天,伽利略將他磨製的20倍率望遠鏡對向月亮,驚天動地動搖了人們心目中的宇宙。

伽利略把望遠鏡對向夜空,看到浩瀚無垠的宇宙以及月亮的真面目,開啟了世人的眼界與心胸。他不是第一個製造望遠鏡的人,也不是第一個用望遠鏡窺月的人。

從眼鏡到望遠鏡

早在十三世紀末葉,義大利工匠已經開始磨製薄雙凸透鏡,並安裝於鏡框上。十五世紀中葉,已有凹透鏡來協助近視的人們。十六世紀初,凸透鏡與凹透鏡已在整個歐洲流行。問題來了,如果只要一個凸透鏡和一個凹透鏡,就可以組成望遠鏡,為何望遠鏡未在此時出現呢?

十六世紀末的義大利,已經開始運用透鏡的組合,並將製造玻璃的知識傳往歐洲各個地區。1608年9月底,荷蘭開始了望遠鏡時代,一位荷蘭省政府官員寫信給中央政府國會議員說,有一項發明可使所有極遠處的事物看起來就像近處一樣,他指的就是眼鏡製造商李伯謝(Hans Lippershey,1570~1619)的發明。正當李伯謝忙著申請專利之時,有一名荷蘭商人已在法蘭克福的市集上銷售望遠鏡,另外還有兩個人也準備為自己發明望遠鏡而申請專利,但因為這項發明太容易複製,荷蘭當局決定不授予專利權,但望遠鏡的消息已不脛而走,開始擴散到歐洲各國。

1609年春天,巴黎的眼鏡製造商開始出售鏡筒裡有一片凸透鏡和一片凹透鏡的小型望遠鏡,放大率只有3~4倍。1609年5月,在義大利的伽利略輾轉聽到巴黎來的傳聞,馬上弄到鏡片製作了一台望遠鏡。之後他日日夜夜磨鏡拋光,在相關光學道理瞭然於心之下〔註一〕,所製望遠鏡的倍率不斷提升。

1609年8月,伽利略受邀展示望遠鏡,他和威尼斯共和國的總督和議員登上港口旁的鐘塔,用他已改良到8~9倍的望遠鏡遠眺威尼斯港遠方的船隻,大家爭相目睹嘖嘖稱奇,伽利略將這具望遠鏡贈給了威尼斯政府。

那一年的冬天披星戴月

他繼續磨鏡造鏡。11月,完成放大率為20倍的儀器,大膽將目標轉向月亮,從11月30日到12月18日,伽利略夜夜觀測並描繪月球表面,留下了至少8幅繪圖。1609年1月7日,他注意到木星旁邊的三個小點點,一直到三月初,他進行了一系列的觀測。

他不僅一筆一筆描繪出月面上的山脈與深谷,他還觀察金星的盈虧、紀錄木星旁四顆游動的星星、土星、獵戶星座以及銀河等等。他將他的觀測紀錄寫成《星際信使》一書,並將觀測所發現的木星四衛星稱為麥迪奇之星,獻給托斯卡尼大公科西莫二世及他的三個兄弟。

在當時,木星有衛星,是個驚天動地的事。當時主流的觀念認為地球是宇宙的中心,所有星體都繞著地球轉,木星算老幾,怎能有自己的衛星?暗喻哥白尼體系的這幾顆不是恆星的小星星,成了日後教廷找伽利略碴的把柄之一。

一炮而紅之後

《星際信使》一書和望遠鏡,讓伽利略一炮而紅。1610 年,托斯卡尼大公給了他一份「錢多事少離家近」的工作表示謝意,讓他享有自由的時間可以專心研究及著書發表,不必到比薩大學上課,而且大公還允諾資助製造新望遠鏡所需的經費。當年9 月,伽利略辭掉帕多瓦大學「錢少事多離家遠」的工作,風風光光的返回佛羅倫斯。

這本書使得伽利略迅速變成名聞歐洲的學者,在明萬曆43年(1615年),葡萄牙傳教士陽瑪諾所撰的《天問略》一書已將伽利略觀天的事蹟介紹到中國了。

他不是第一個用望遠鏡窺月的人

1608年秋天,荷蘭首批望遠鏡之一已用於觀測天上星體〔註二〕。伽利略不僅不是第一個用望遠鏡觀月的人,也不是第一個畫下月亮表面的人。在伽利略將望遠鏡呈獻給威尼斯總督之前的數週,英格蘭的哈瑞特(Thomas Harriot, 1560~1621)已將一架6倍率的望遠鏡轉向月球,在1609年7月26日繪製了第一幅透過望遠鏡所見的月面圖,不過這張圖是蠻簡略的〔註三〕。

哈瑞特也不是第一個畫下月面的人,在大約1505~1508年間,達文西已經用他的眼睛仔細觀察月亮並描畫月球表面了〔註四〕。

不是第一卻是最有名氣

儘管第一個望遠鏡不是他發明製作的,第一次用望遠鏡窺月不是他觀看的,第一幅月面圖不是他描畫的。但,伽利略揭開月亮與宇宙奧秘的功績卻讓世人永銘於心,將這些第一通通都歸於他。他頭腦好技術佳眼光遠,他探究光學原理,自製望遠鏡並將倍率不斷提升,並好奇的將眼光從地面擴展到宇宙;他不僅看清月亮的真面目,細心描繪月亮的崎嶇表面,更解釋這些陰影的原因由來,推算出月球上山脈的高度。他仔細觀察木星旁的幾個小點點的移動,破天荒的提出木星有衛星的概念。

在伽利略用望遠鏡窺天的360年後,人類首度登上月球。在月球上留下第一個人類腳印的阿姆斯壯於今年(2012年)8月辭世,他說過:這是個人的一小步,人類的一大步。

當我們舉頭望明月時,除了嫦娥、阿姆斯壯之外,不免也會想到伽利略,當他將高倍的望遠鏡對向月亮時,何嘗不是個人的一小步,人類的一大步?

註:

一、關鍵在於二個透鏡的曲度,需要微凸和深凹,才能產生明顯的望遠效果。其中深凹的透鏡相當於高度數近視眼鏡,以當時的技術,並不容易磨製。

二、見范龢惇的文章,《星際信使》中文版,第67頁。

三、哈瑞特所繪的月面圖,可參見如下網址:http://telescope400.org.uk/harriot-maps.htm。

四、達文西所繪的月面圖,可參見 Reaves & Pedretti, Leonardo Da-Vinci Drawings of the Surface Features of the Moon, Journal for the History of Astronomy, 18(1), 1987.

邱韻如:任教長庚大學通識中心物理科

原文發表於科學月刊第四十三卷第十期

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