『观点』黑科技？还是黑工程？

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黑科技这个词儿出现在人民大众视野里已经有那么一段时日了。从当年索尼RX100、RX1到适马35mm f/1.4，被人民口口相传的黑科技产品越来越多，大多数都是突破了本家乃至世界已有的原有规格，做出了让人眼前一亮的产品——其实适马35mm f/1.4也是这样，它的突破，在于把这个规格的产品压入了4,000元人民币这个价格段。

黑科技产品之索尼RX1R


但实际上说白了，所谓“黑科技”应该被叫做“黑工程”——它并不是始于某些天才理科生发现的天才光学或者电子学定律，而是源自于人类精机加工和材料技术一点一滴的进步。
一百多年前，有一个著名实验把相对论和爱因斯坦扶上了世界物理学界最前沿。没错，这就是迈克尔逊—莫雷实验。其实这个实验原理非常简单，再往前推一百年，托马斯·扬大人已经给出了它的详细原理和实现方案。可直到20世纪初期才有人把这个实验做出来，而且成为了历史上最著名的“失败”实验。
原因为何？其实很简单，17-18世纪时人类没有如此精细的加工技术去制造这个实验所需要的仪器。还有一个原因就是材料科学和技术。为什么只有佳能能毫无压力的在上世纪80年代就造出50mm f/1.0、85mm f/1.2这种规格吊炸天，在当年也可以被称为黑科技的产品？
说是因为菊（卡口）大的基佬们注意了，你们答对了一半。真正的秘密隐藏在佳能的材料技术里，没错，就是人工萤石/超低色散镜片。


佳能当年的“黑科技”——人工结晶萤石


有了它才能解决超大口径镜头的色散和像差问题，才使得这种超规格产品的实现变成了可能。
九百年前中国有位圣人朱熹说过，知易行难：明白道理是很容易的，可是真正做起来却很难。
五百年前中国又有位圣人王守仁说过，知难行易：做事情是很容易的，可要弄明白为什么这样做，却很难。
不过王大人的观点终究没有成为中国主流文化。近代科学没有起源于近代中国，或许也有这位朱大人一份功劳。
小编本人比较赞同知难行易这个观点，可放到器材设计与制造这个行业，却是不折不扣的知易行难。比如说我们要设计一个镜头，无论是什么规格都很容易。信号学告诉我们，如果我们可以实现任意高的设计精度以及理想光学滤波器的话，我们可以用任意单一元件去设计一个任意阶线性系统。
到这里已经看晕了是吧，我来给大家翻译一下。
镜头对于光线来说可以视为一个无延时线性系统，所以大家才可以通过画光路图来了解一个光学器件的特征。如果我们可以控制一个镜片上每一个任意小区域的形状，使得光线可以完全按照我们所设想的方向进行偏转（折射），那么，我们完全可以用单一的镜片来实现完全锐利、无像差，光圈任意大（不超过菊的限制）……的镜头。
看起来很美好，不是么？
学过微积分的都应该知道所谓“任意小”是一个多么可怕的概念。
不过办法还是有的，那就是设置一枚主镜片，然后通过其他镜片去校正主镜的误差——这就是第一枚商品化的镜头——三片三组柯克式标准定焦镜头的设计思路。
后来，人类的加工技术变吊了，有了磨制和加工非球面镜片的能力，于是高端定焦镜头成像素质有了大幅度提高。（非球面镜片基本上也是逐点设计，虽然不是无限小区域，但是也能够起到相当的作用。）


非球面镜片：高素质镜头的第一功臣


再后来，人类的材料学技术也变吊了，树脂也能被拿来制造相对精密的镜片，于是18-55这种镜头光学素质也得到了大幅度提高。
自始至终，就跟纯粹的镜头设计没有一毛钱关系。
因为设计很容易。比如说下面这个42mm f/0.7短后焦距镜头的设计就是小编用Zemax软件完成，采用了类似Biogon的结构。




MTF仿真结果如下，如果这个镜头能够制造出来，必然也会有非常优良的素质表现。




可惜这枚神镜无法实际制作，因为里面有两片形状诡异的镜片无法通过现有工业手段完美而又低成本的制作出来。偷懒用理想光学元件，结果就是这样。
佳能的人不偷懒，所以我们看到了50mm f/1.0，看到了50mm f/1.2。
索尼的成功是因为新的CMOS生产线采用的新制程半导体光刻机。作为Fab的灵魂，新一代光刻机实现了更高的加工精度，从而在布线层可以放置更多的晶体管来实现更精细的信号处理和控制，同时降低模拟层的噪声。
然后我们有了14EVs动态范围的新一代传感器。第一个装载它的，也可以算是一代黑科技产品——尼康D800/E。


其实小编认为尼康D800/E也应当被算入黑科技产品行列


索尼RX1/R也不完全是设计产物，说白了把全幅这堆东西放进小机身需要空间，而腾空间又需要小型元件。而恰恰高规格的精细工艺和制程能完美支持小型化周边元件的生产。而这些自始至终都没有设计人员的一毛钱事情。
这也意味着，要想指望“索尼黑科技”公司或者“适马黑科技”公司来一发史诗级大突破，造一支2,000元人民币的16-200mm f/1.8镜头给你用，是完全不可能的。
除非液态镜头能实现低成本商用化，因为液体可以通过加电场控制形状，从而实现更接近理想光学器件的特性。
对了有人提到适马18-35mm f/1.8 DG HSM Art，说这支镜头突破了变焦镜头2.0的光圈上限（这个记录由奥林巴斯创造），是真正的黑科技。
好吧，看下结构图就明白了。


适马18-35mm f/1.8结构图


适马28-70mm f/2.8 EX DG结构图


大家一定奇怪为什么适马18-35mm f/1.8的结构图在镜头后组处会有一套4片3组的奇怪东西。其实这个镜头的设计可以认为是将一个类似28-70mm f/2.8这样的全幅标变和一个减焦增光接环整合在一起，从而在APS画幅像场内实现f/1.8光圈。


Metabones Speed Booster转接环可缩短焦距、扩大光圈


Metabones Speed Booster转接环原理图


这4张图对照起来一看，就可以一目了然了。之所以选择年代久远的适马28-70而不是新款24-70作对比，是因为等效焦距类似的二者有着更多的共同之处。
工艺上受着物理局限，设计上哪能搞什么黑科技，拼的都是“投机取巧”的智商。