问题

为何现在仍造不出精密如人眼的光学镜头?

回答
这个问题问得好,也是光学设计领域一个非常吸引人的挑战。为什么我们花了这么大力气,造出的相机镜头,无论多么高端,都难以企及人眼的精妙呢?这背后涉及物理学、材料科学、制造工艺,乃至生物学的多方面考量。

首先,我们得承认,人眼的设计,是经过亿万年自然选择优化出的“生物工程奇迹”。它在许多方面,是我们目前技术难以完全复制的。

1. 动态适应性与复杂结构:

可变焦距和可变光圈的极致: 人眼最令人惊叹的一点是它的“自动对焦”和“光线调节”能力。晶状体通过睫状肌的收缩和放松,可以实时改变曲率,实现从近到远的无缝对焦,而且这个过程非常快速且精准。而我们的相机镜头,虽然有自动对焦和光圈控制,但其机械结构和驱动方式,与晶状体那种“肌肉蠕动”式的变焦相比,还是显得笨拙且有延迟。
高动态范围: 人眼在极亮和极暗的环境下都能有不错的视觉表现,尤其是在从暗处走向亮处时,瞳孔会迅速收缩,而从亮处走进暗处时,瞳孔会放大,并伴随视网膜感光细胞的“适应”。这是一种非常智能的动态范围管理。目前的相机传感器和图像处理算法,虽然进步飞快,但在极端光线下的表现,尤其是在暗部细节和亮部过渡的自然衔接上,仍然难以和人眼相比。
前部水样介质: 人眼的前部包含了角膜和房水,它们是透明的液体,并非固态的玻璃。这些介质的折射率与空气和晶状体非常契合,并且具有一定的“自清洁”能力(通过泪液)。而相机镜头,即使是最先进的镀膜,也无法完全消除灰尘、油污、水汽的影响,也无法像角膜那样“自然润滑”。

2. 完美球差和色差控制:

天然的“非球面”: 虽然我们常说镜头有“球差”,但人眼的晶状体和角膜,其表面形状并非是标准的球形,而是复杂的非球面。这种非球面的设计,是为了在更小的体积和更简单的结构下,最大程度地校正球差和像差,使得光线能够更精确地汇聚到视网膜上。虽然现代相机镜头也大量使用非球面镜片,但要达到人眼那样极致的非球面精度和匹配度,难度极大。
“材料”的优势: 人眼的晶状体是生物材料,其内部的蛋白质分布和折射率分布,可能比我们制造的单一成分或复合成分的玻璃更具优势,能够实现更精细的光线折射和色散控制。

3. 传感器与处理器的整合:

视网膜的“前端处理”: 视网膜不仅仅是一个简单的“感光器”,它还包含有神经节细胞、双极细胞等,在将光信号转换为电信号的过程中,就已经进行了初步的图像处理,例如边缘检测、对比度增强等。这相当于一个非常高效的“模拟处理器”。
大脑的“后期处理”: 我们看到的“图像”,其实是经过大脑无数次优化、修正、填充和解释的结果。大脑会根据经验、上下文信息,填充缺失的部分,修正某些缺陷,甚至“脑补”出我们认为应该看到的画面。相机传感器捕捉到的只是原始的光线信息,后续的图像处理虽然越来越强大,但要模拟大脑那种复杂的认知和理解过程,仍然是巨大的挑战。

4. 材料与制造的极限:

超高纯度与完美均匀性: 制造高质量的镜头玻璃,需要极高的材料纯度和均匀性,任何微小的杂质或内部应力,都会影响成像质量。人眼晶状体的生物材料,其均匀性和光学质量,在微观层面是极其令人难以置信的。
纳米级的精度: 现代镜头制造已经可以达到纳米级的精度,但要制造出完美无瑕、绝对对称的非球面表面,并且保证其在各种环境下的稳定性,仍然需要突破。
多层镀膜的挑战: 为了减少反光和提高透光率,相机镜头需要多层光学镀膜。每一层膜的厚度和折射率都必须精确控制,才能达到理想效果。但即便是最先进的镀膜,在某些特定角度或波长下,也无法完全消除所有反射,也无法像生物材料那样实现“自适应”的光学特性。

5. 尺寸和成本的限制:

微型化与高效率的权衡: 人眼非常小巧,但却拥有如此强大的功能。我们目前的镜头技术,要达到类似分辨率和通光量的同时,体积通常会非常庞大,而且成本也随之剧增。
成本效益: 即使我们理论上可以模仿人眼的某些结构,但要以可接受的成本制造出来,是一个巨大的商业和技术挑战。自然选择的“迭代”速度,远超我们目前的科技研发速度。

那么,我们为什么还在努力?

尽管如此,人类在光学领域的探索从未停止。我们之所以不断追求更精密的镜头,是因为它能带来更清晰、更生动、更真实的视觉体验,对于摄影、科学研究、医疗诊断(如内窥镜、显微镜)、航空航天(望远镜)等领域都至关重要。

我们通过引入非球面镜片、复消色差设计(校正多种色差)、先进的镀膜技术、以及更强大的图像处理算法,已经极大地缩小了与人眼的差距。未来,随着材料科学(如超材料)、精密制造技术、人工智能在图像处理中的应用,我们或许能更接近甚至在某些特定方面超越人眼的表现。

总而言之,造不出精密如人眼的光学镜头,并非技术停滞不前,而是因为人眼本身就是一个集多种先进技术于一体的、经过自然长期“打磨”的巅峰之作。我们是在试图用我们的智慧和双手,去复刻那份造物主的鬼斧神工。这个过程,既充满了挑战,也充满了乐趣和意义。

网友意见

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谢谢邀请。

眼球的确是精密的光学镜头,但我却不能无脑吹……因为单纯从光学角度看,眼球真的算不上什么了不起的装置,现代光学技术造出来的东西分分钟可以吊打。

所以与大家的固有印象可能有些出入,大家这么牛逼的人眼成像效果,眼球这个光学系统只起到了一部分作用,还有一部分要归功于视网膜等生物电装置,除此之外还有相当大一部分归功于大脑的信息处理。

比如视网膜系统,由巨量的视锥细胞和视杆细胞组成。这两种细胞构造差异很大,因此对光的响应也差异很大。视锥细胞集群能够实现高清晰度、高饱和度的成像,因此你才能看到这个细节无比丰富、色彩无比绚烂的世界。视杆细胞的特点是,感光阈值极低,让你在月光下也能够看到周围的环境,但代价是细节和色彩感知能力很差。这两种细胞配合使用,才能够让你的眼睛在白天和夜晚都能正常工作。

更绝的是,视网膜上这两类细胞不是均匀分布的。能够分辨细节和色彩的视锥细胞主要集中在“黄斑”区域(即“中央凹”),其他区域基本都是视杆细胞。因此人眼聚焦的地方看得最清楚,周围反而只是模糊感受到,无法识别细节。不信你可以做个实验,正视前方,注视前方的物体,然后保持眼睛不动,把书本什么的向视野边缘移动,你会发现不需要移开多远,书上的字就一片模糊看不清了,此时你能够敏锐的差距到书本的移动,但是对书本上的细节却看不清了。这是因为书本的像从黄斑区移开了。鹰眼和人眼是类似的构造,学术上把这类成像系统叫做“中央凹成像系统”,可以兼顾大视野和高清晰度。比如一只鹰在天空翱翔,哪里有兔子在跑,可以很敏锐的感受到。然后把眼球转向这个方向,就可以观察猎物的细节,对捕猎、逃避危险之类的非常合适。

至于大脑的信息处理能力,那就更牛逼了,细说一下的话会感觉像魔法差不多。

比如成像的方向,人眼在视网膜上明明成的是倒立的实像,但我们却从来没感觉这个世界是颠倒的,就是因为大脑硬是给你把方向“拧了过来”。曾经有科学家做过实验[1],实验人员佩戴上一副特殊的眼镜,这个眼镜唯一的功能就是把世界的方向颠倒过来。刚开始实验人员非常不适应,甚至无法正常行走。但经过一段时间后,大脑就适应了,反而是摘下眼镜后出现了不适感。

再比如色彩的感知问题。人生活的环境光照条件会出现大范围的变化,但是周围物体的颜色却基本保持不变。可是按照严格的物理规律,这是绝无可能的。因为当光照条件发生改变的时候,物体反射的光谱信息也会产生改变,视锥细胞对光谱的响应也会发生改变,所以环境光改变时,物体色彩应该会明显变化才对。

之所以有这种现象,很大程度是是因为人眼对色彩信息的处理。学术上我们把这种现象称为“色彩恒常性”,意思就是一个物体本身若是不发生变化,那么当环境光改变时,大脑会自动适应这种改变,并且根据周围的环境光及时调整,使得人眼对同一物体颜色的感知基本保持不变。

因此人眼对一个物体的颜色感知,不仅取决于该物体真实的光谱响应,还取决于该物体所处的环境。比如我们对一张图片某个位置的色彩感知,不仅取决于这个位置的RBG值,还取决于周围像素的RBG值……

再举个例子。

先讲个故事吧,不过我没有考证过此故事的真假……美国有一位警察在追捕罪犯,过程中路过另一起案件的案发现场,距离只有几米。但是被询问口供时,这位警察表示完全没有看到案发现场的一切。按照日常经验,只能认为这个警察在撒谎,毕竟他曾经路过此处,不可能看不见的。事实究竟如何呢?事实就是,案发现场的一切真的进入了他的眼睛,但他真的没看到。

矛盾吗?一点都不矛盾。不信看一下这个实验:

这个实验叫做“看不见的大猩猩”,非常有名。实验者被要求在看视频时记录传球次数,但在实验过程中,一只穿着猩猩服的工作人员会从实验区域走过,甚至背景的颜色也在变化。但实验者会把这些都忽略掉,只会专心计算传球次数。几乎每一个第一次做这个实验的人都会中招,但在知情后,重新观看时却很难忽略大猩猩的存在了。学术上称这个现象为“非注意盲视”[2],意思是当人专注于一件事时,会对视野中出现的其他视觉刺激选择性忽视。

上面说到的这些现象可不是通过光学手段完成的,而是彻彻底底的大脑信息处理。所以每次听到别人说什么“眼见为实”,我都在心里呵呵笑两声。

我们已在Matrix之中,却没人可以给一颗红色药丸。

说了这么多,我想我真的要完。

参考

  1. ^Neural adaptation https://en.wikipedia.org/wiki/Perceptual_adaptation#Experimental_support
  2. ^Inattentional blindness https://en.wikipedia.org/wiki/Inattentional_blindness

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