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谷歌卫星偷拍003航母为何如此清晰?中国光学镜头被西方卡脖子?

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来源:军武速递官方



注: 本篇 文章的视频版,已发布在《杨叔洞察》B站号

先给大家讲一个故事吧,如果你对西方近代艺术有所了解,会发现一个奇特现象:从15世纪的文艺复兴开始,油画的人物大量出左撇子,左手翻书,举酒杯,革命者举起左拳,士兵用左手敬礼。


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此前中世纪类似的宗教画,大多数人物形象呆板,严格来说更接近平面图案。而到了15世纪30年代,欧洲的绘画艺术,不仅造型生动,光影和谐,甚至连衣服的褶皱都处理的非常自然,除了色调,几乎能与单反照片媲美。但是,要达成这样的技艺,需要长年累月的练习,不可能在短时间内突飞猛进。

那这一连串的巧合,引起了英国著名现代画家大卫·霍克尼的兴趣。于是,他将历代油画杰作按时间,排成21米的长墙,进行研究。最终,他得出一个大胆的推论:这些写实派画家的秘诀,就是暗箱操作,他们的画作,其实是透镜的成像。


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具体方法是这样:画家置身于暗箱,暗箱一面开有小孔,安装玻璃透镜;光线穿过小孔,反射在暗箱的内壁上,形成倒影。画家只需将画纸铺在倒影处,将画像勾描下来,然后依据轮廓进行着色。因为是倒影,所以人就画成了左撇子。

那熟悉摄影的朋友应该很容易理解:这不就是照相机吗?没错,如果这个推测属实,那么这种画法,实际上就是“照片”,只不过底片是手绘的。那么,在这一套流程中,除了画家本人,最关键的就是镜头了,后来真正的摄像器材,它的关键和基础,仍然是镜头。


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当然,这期不是讲摄影啊,而是讲一个高端产业——精密光学,在今天军用和民用产业当中,都占据相当的重要地位。曾经被用来“作弊”的小小玻璃透镜,经过几百年的发展,给人类提供了观察世界的新角度。前段时间,谷歌公布了很多俄罗斯的高分辨率卫星地图,在网上被热炒。虽然经过证实:很多照片是在俄乌战争爆发前就在已经存在了。但我们也要看到:谷歌作为一家科技企业,它旗下“谷歌地图”“谷歌地球”的确已经做到了准军事级别。


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特别是前段时间003航母下水,大家都很兴奋啊,但有一个细 思极恐事实:从18年起,网上定期就会传出003航母在船厂建造的 分段进度,航母下水前,我们网上看到的很多关于003的图,大部分来源都是谷歌。


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甚至连我们在内陆基地,进行电磁弹射和蒸汽弹射对比的照片都有。而拍摄这些高分辨率照片的手段,就是太空中的光学成像卫星了,顾名思义,这种卫星本质上就是一部给地球照相的相机,核心部件就是高分辨率镜头和传感器。目前世界上最先进的两款商用光学成像卫星“世界观测”和“地球眼”,分辨率已经达到了惊人的0.5m,代表了目前人类精密光学的最高水平。


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那么我就想了一下:这种级别的光学镜片,我们国家能制造吗?特别是两年前,网上传出了中国吉林一号卫星成功跟踪拍摄到F22, 那么目前中国的精密光学产业究竟是什么水平?会担心被卡脖子吗? 这就是今天想聊的话题。

我们很多人对光学的印象,要么就是初高中物理中的“平面镜成像”“凸透镜成像”。要么就是“光量子通讯”“超高能激光”这种“不明觉厉”的前沿技术上,这也让现代光学成了大家“最熟悉的陌生人”。


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实际上,光学早已是无处不在了。大家能看到这个视频就得感谢光纤,可能有的网友还得多感谢一下眼镜。再比如大家手机上的摄像头,也要用上“光学玻璃技术”“透镜研磨技术”“透镜镀膜技术”“CMOS技术”,妥妥的高技术产品。


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而在更广泛的工业领域,比如精密测量、扫描建模、金相观察、工业相机,搞建筑用的全站仪,医生用的内窥镜、X光、做眼科手术的飞秒激光手术刀,造芯片的光刻机等等,全列出来,可以水一大批视频了。

其实人类最初搞光学研究,无非就是探讨“水面上为什么会有倒影”“影子是如何产生的”“人是如何看见物体的”之类的问题,满足一下好奇心。直到公元前3世纪,欧几里得的《光学》,首次将光学与几何结合在一起,提出了“透视”的观点,光学才真正成了一门学问。


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后来托勒密又更进一步,对平面镜、凸面镜、凹面镜,对光的反射,进行深入的阐述,还发现了光的折射现象。但受制于当时的科学水平,托勒密没能将他的理论化数值化。

如果光学就这样发展下去,掌握成像规律那也是指日可待啊,但随着中世纪的到来,几乎所有的科学研究都陷入了停顿。不过,中世纪中后期的价格革命和领主老爷们对奢侈品的追求,却也促进了欧洲磨镜工艺的进步,牛顿发现光的色散,伽利略制造天文望远镜,才有了物质基础。但即便是在文艺复兴之后,光学制品要么是达官显贵的玩具,要么就是实验设备,需求小,产量低,迭代慢,光学技术停滞不前。


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而直到另一项重要发明的出现,才极大推动了光学发展,这就是“照相术”。关于照相的原理,就是开头说的那样。画家的“暗箱操作”,“镜头”“暗室”都已具备,接下来只差感光元件了。

目前公认的世界上第一张照片诞生于1826年,是法国人尼埃普斯利,用沥青当底片,曝光了八个小时,才拍成,在他去世后,他的合伙人达盖尔,又发展出了银版照相法。法国政府在1839年买下了技术版权,并向全世界推广。


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1851年,英国雕塑家斯科特,利用火棉胶的黏着性和卤化银见光分解的特性,发明了湿版摄影。1865年,更加便捷的干板摄影技术问世,从此,感光材料就不必现做现用了,极大地简化了摄影的流程。到了1888年,柯达公司利用火棉胶纤维,开发出了柔性片基材料,这就是我们熟知的胶片,标志着现代摄影工艺走向成熟,同时应用光学开始飞速发展。而此时的大清,正忙着重修颐和园,对大洋彼岸的科技进步浑然不知。


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照相术的诞生,让普通人也有机会留下自己的影像,肖像不再是上流社会的奢侈品,当时的欧美,很快就出现了大量的照相馆、影楼,摄影也从此成了一个产业。很快,早期的镜头已经不能满足消费者的胃口了,由于当时较大的透镜很难加工,加工出来了,也容易出现缺陷,所以绝大多数镜头都只有一片小透镜,f16的光圈,畸变色散也很严重。我们都知道,市场需求永远是技术进步最好的催化剂,此时,谁能造出高性能的镜头,谁就获得了财富密码。


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罗敦司德、施耐德、蔡司,这些老牌光学企业,基本上就是在这时候崛起的,接下来我们就以蔡司为例讲讲民用光学的发展。刚开始呢,蔡司只是一家造显微镜的小工作室,第一款产品是一种“单透镜显微镜”,总共只卖出去23台,和索尼最开始那个木桶电饭锅有的一拼,这么下去肯定是“药丸”啊。为了提高竞争力,蔡司开始研究复合式多镜片显微镜“stand 1”。

这款产品赢得了图林根州工业博览会的金奖,但更重要的是,引起了物理学家恩斯特·阿贝的兴趣,最终,阿贝博士于1866年加入了蔡司,身份是研究导师。1879年,他又把化学家奥托·肖特博士拉了进来,这两位大佬奠定了蔡司在光学领域的霸主地位。


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不了解光学的同学,可能不太清楚这位恩斯特·阿贝到底有多大的光学成就,接下来我们就来讲讲阿贝正弦条件和阿贝极限。这里要先引入一个慧差的概念,简言之就是:假如有一束光,不平行于透镜主轴,入射该透镜,就不会汇聚到一点,而是会形成一个类似于彗星形状的对称光斑,这对成像来说,是非常不利的,而阿贝正弦条件,就是用来判别透镜的慧差是否得到修正,从而保证了显微镜的质量。


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而阿贝极限是指:由于可见光中,蓝紫光波长较大,为0.4微米,所以只要两点的间距小于0.2微米,光学显微镜就无法分辨了。2014年的诺贝尔化学奖就颁给了三名来自美国和德国的科学家,颁奖理由就是他们研制的超分辨率荧光显微镜,突破了阿贝极限。

而另一位奥托·肖特,被誉为现代玻璃材料之父。他将玻璃的制造,分为真熔融过程和澄清过程,前者是化学过程,后者主要是物理过程。实验证明,只有通过缓慢加料,才能达到完全熔融状态,避免缺陷的生成。肖特不仅在光学玻璃上建树颇多,还研制了诸如耐热,耐压,抗腐蚀玻璃和其他特种玻璃,甚至还解决了玻璃温度计的零点误差问题。虽然此后蔡司转向了高性能相机镜头制造,但是阿贝和肖特留下的实干精神却从未改变,也成就了今天的蔡司。


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其实,想要提高镜头的性能,无外乎两种手段:要么采用多片透镜组成透镜组,这样可以将加工误差平摊到每个镜片上,减小制造难度,还能突破单片透镜的焦距极限。这一招,就是我们现在说的“镜头结构”。另一个手段就是提高研磨技术和光学玻璃质量,尽可能将透镜做到完美,而蔡司的答案是:“小孩子才做选择,我全都要,既采用多组设计,又把每片镜片做到完美不就行了嘛?”


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事实上很多经典的镜头结构都是蔡司设计的,比如三组四片的天塞结构,在极小的体积下,达到了惊人的锐度,是紧凑型镜头设计典范。还有采用了四组六片双高斯结构设计的普拉纳结构,色散非常轻微,色差也较小,同时由于采取了对称设计,前后组透镜的畸变可以抵消,所以变形极低。


普拉纳结构,资料图

阿波罗计划中,被带上月球的镜头就采用了普拉纳结构。研磨方面就不用说了吧,asm最新EUV光刻机中的反光镜,直径30cm,如果把这个镜子放大到地球直径这么大,上面只能由一根头发丝大小的凸起。“这可能是宇宙中最光滑的人造结构”。

光刻机中的精密镜片代表了高端制造的最高水平


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说完了外国的光学巨人,我们把目光转向国内,看一下中国光学的发展历程。由于是苏联直接输血,而且没有国外那样广泛的民用市场,这也就决定了中国的光学工业不可能是西方民用带军用的路子,最大的需求来自军队,高校研究所也急需实验设备,所以是国家主导的路子。1953年,中科院科学仪器馆成立,负责主导国内的光学学科和技术光学的发展,新中国的光学事业由此起步。


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后来,中科院科学仪器馆又改组成了长春光机所,著名光学家龚祖同院士亲自研制光学玻璃,并且参与熔炼过程。到了50年代末,已经能够仿制很多先进光学设备,各大高校也纷纷开设光学相关专业支援国家建设。苏联也援建了两座光学厂:国营248厂和国营208厂,前者主攻军用光学设备,后者主要生产光学玻璃。

到了六十年代,我国的光学工业进入了高速发展期,为满足国防需求,在中科院牵头,在全国成立了诸如西安光机所、上海光机所、成都光电所等高新科研院所。


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研究的领域也是非常的前沿,比如说西安光机所,研究高速摄影与瞬态光学; 上海光机所,研究激光技术; 13所负责半导体相关光学研究; 44所更是很早就展开了CCD元器件的研究。 此时国内的光学研究紧跟国际前沿,在许多领域都取得重大突破,比如中国在1961年就造出了红宝石激光器,比美国只晚了一年。


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在这同时,中国民用光学产品同样发展迅猛。1955年,大来精机厂成功仿制了苏联佐尔基1型相机,而这个佐尔基1型也是仿自德国的徕卡相机,因为德国战败后苏联把大量的德国机械设备,用作战争赔偿。蔡司也被分成了蔡司耶拿和蔡司斯图加特,其实就连西德蔡司都是巴顿越界“抢”来的,有兴趣的可以详细了解一下。佐尔基、莫斯科、基辅等诸多品牌都是在这个基础上出现的,莫斯科一型相机甚至就是用蔡司伊康相机的零部件组装的,可以说当年德国,影响了中苏两国的光学工业。


58型相机

新中国第一款大规模量产相机,是上海58型相机,原型也是德国的徕卡相机。58型相机工艺精湛,采取了工业化、标准化的生产方式,标志着我国的照相机工业走向了现代化。后来在大跃进时期,各地都搞了自己的照相机品牌,但很多只是利用之前各大光学厂的成熟技术进行仿制,同质化严重,做工也良莠不齐,但这并不意味中国就造不出优秀的相机,事实上中国相机的巅峰之作“东风相机”和“红旗20型相机”,制作工艺和技术指标都非常高。


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东风相机仿自瑞典哈苏500c型中画幅相机,都是6×6画幅和模块化设计,镜头和后背都可以更换。上海照相机二厂还配了80mmF2.8、50mmF4、150mmF4三只镜头,焦段非常的齐全,其快门速度达到了一千分之一秒,自动停片、景深预览、反光板预升等诸多先进功能一应俱全。但实事求是的讲,受限于当时中国的基础工业条件和研制水平,东风相机还是和哈苏有着一定差距,尤其在镜头群方面更是不可同日而语,东风相机产量也不足百台。


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而红旗20型相机仿自徕卡M4型135相机,同时也糅合了部分尼康sp型相机的设计,从设计之初,要求就非常高,要求达到徕卡相机的加工精度和机械性能,并且配套的镜头群参数非常先进,分别是35mmF1.4、50mmF1.4、90mmf2,放在今天也是大光圈镜头,可惜由于中国在低色散、高折射等先进镜片上基本处于空白的状态,红旗相机的配套镜头和徕卡的差距依然不小,但依旧是中国引以为傲的产品。


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可能看到这,很多观众会问:“这不就是山寨吗?”其实山寨并不是问题,因为一开始德国山寨英国,日本相机也山寨德国,这些都不妨碍德国制造成为德国的名片,日本的相机产业也在之后彻底将德国相机赶尽杀绝,国产相机其实是倒在了“技术积累”上。

我们必须承认中国的光学工业起步实在是太晚了,但这却是一个重在积淀的工业门类,比如加工镜片,每道工序,乃至每次走刀都是依靠无数次的试错,总结出来的;同样,制造镜片使用的光学玻璃也没有人们想象中的简单,原料的提纯和配比,熔炼和凝固浇筑时的工艺参数;制成玻璃锭的退火去应力处理,每一道工序都是无数技术工人和工程师心血结晶,就更不用说集精细化工、精细控制、真空加工等诸多顶尖工艺于一身的镀膜技术了。


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当年呢,我们各种相机厂、光学仪器厂都处在散兵游勇的状态,其中绝大部分的工厂压根就没有研发部门,就更谈不上积累技术了,只能依靠地方保护勉强生存。在市场化的大浪冲刷之下,只有“海鸥”和“凤凰”两个品牌活了下来,只能说是惨淡经营,虽然很遗憾,但缺乏核心竞争力就是这个下场。

光学诞生于人类对光明的向往,而中国从来就不缺乏追光的人,在大众的视线范围之外,中国企业早就了开始追赶,由于数码时代的到来,照相机机身的成本和技术门槛急剧提高,新兴的中国企业想要入局就只能从镜头开始,佳能、尼康、索尼等品牌的相机制造副厂镜头,长庚光学旗下的“老蛙”镜头就是其中的佼佼者。

面对各大巨头强悍的实力和中国在镀膜技术和特种镜片方面的缺陷,老蛙选择了“差异化竞争”的路线,瞄准超广角和微距镜头市场,目前老蛙超广角镜头的畸变控制和微距镜头的放大倍率都做到了行业领先的水平,被戏称为老蛙神鞭的24mmF14特种镜头更是受到了海内外摄影师的一致好评。


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但光在镜头领域取得成功是不够的,中国还必须要有自己机身和镜头卡口,这样才能说真正建立起了一套完整的相机系统,这就需要一家既拥有雄厚资金,又真正了解光学行业的企业,去完成这个艰巨的任务。目前最有希望研制国产相机系统的就只有大疆了,这里真的不是恰饭啊,虽然国产的MAVO Edge 8K已经被带上了天宫一号,很多国产的电影机也都有着不俗的性能,但是却没能建立起自己的镜头卡口和镜头群。而大疆的如影4D系统拥有自己的DL卡口并且发布了24mmF2.8 、35mmF2.8、50mmF2.8三只原厂镜头,更重要的是就和蔡司尼康一样,大疆在无人机领域深耕多年,在云台稳定、自动对焦等诸多方面有着深厚的技术积累,这才是核心竞争力的保证。


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而且啊,好消息还不止这些,由长春光机所牵头成立的长光辰芯公司设计的国产CMOS传感器已经通过验收了,所谓的CMOS就是互补金属氧化物半导体的缩写,简单来说就是就是现代数码相机的心脏。而长光辰芯设计的这颗芯片参数是非常先进的,有4900万像素采用背照射的设计,极大的提高了实际像素面积,还可以拍摄8k分辨率的视频和4K画质下的高帧率视频,如果类比cpu的话就是12代酷睿的水平呀,有了如此强悍的“中国心”,咱们的相机就可以“力大飞砖”了。

其实呢,每次拿起相机我都能感受到它身上的科技脉络,咱们也并不是固执,非要一套全国产的相机系统,单纯只为去争口气,而是希望有更多的人能够关注到这一工业命脉,看到民用产业是如何推动整个社会科技的进步的,只要我们坚定不移的走下去,早晚有一天会让世界看到那“驱散黑暗的光”。

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