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光学百年,卷土重来的玻璃时代
来源:穿越大时代 | 作者:sibranch1911 | 发布时间: 2019-11-29 | 487 次浏览 | 分享到:



多年以后,当东方力量蔓延至小城耶拿时,
它也许会想起卡尔·蔡司与阿贝、肖特筚路蓝缕的那段光辉岁月




~源起~


这座人口不过十万人的小城市,从事光学产品研发、制造的从业人员将近一万人,而代表着光学材料与光学工程最高成就的肖特玻璃和卡尔·蔡司两大科技巨头均坐落于此。


190年前,高中毕业的卡尔·蔡司来到耶拿,成为一名机械学徒。30岁时,其成立了专门制作各类放大镜和简单显微镜的小作坊。日复一日的打磨,蔡司的加工工艺已是炉火纯青。但当他试图涉足复杂的显微镜制作时,过去缺乏理论指导、凭借更换镜片、调整间距这样的“试错法”开始变得低效而无用


事业的瓶颈期,苦恼的卡尔·蔡司作出了一个勇敢的尝试——邀请耶拿大学物理学家恩斯特·阿贝入伙蔡司。大胡子阿贝的加入,使得蔡司开始“研究材料体系,并依此精确绘制设计图,包括每一个镜片的曲率、厚度和光圈,再打磨加工成精密的光学产品。”


自1872年起,蔡司所有的显微镜镜头在生产时都采用了阿贝的设计,这也代表着卡尔·蔡司跨越了纯粹的工匠精神与经验主义,披上了理论的外衣,开启从工艺作坊向光学科技企业转型之路。


对于当时的显微镜系统,如何消除色差和二级光谱始终困扰着业界,也包括蔡司和阿贝。当工艺与理论改善到了极致,木桶上那块被忽视的短板——材料开始凸显。英雄总是惺惺相惜,此时阿贝遇到了耶拿大学博士毕业的化学家奥托•肖特。



出身玻璃世家的奥托•肖特,祖上三代都是哈伯格镇的玻璃制作工人。在与阿贝合作后,二人率先推出了硼硅酸盐玻璃,有效解决了色差、二级光谱问题。材料化学本是一个充满了随机性的实验学科,肖特却往往本能的做出正确尝试,并根据结果去归纳其科学本质。这种品质使他与阿贝,在随后的十年里合作建立了光学玻璃系列产品,并于1884年成立了“肖特及合作伙伴玻璃技术实验室”。事实上,在很长一段时间里,肖特的研发方向即是匹配“合作伙伴”蔡司的需求。


时至今日,卡尔·蔡司与肖特玻璃都早已成为誉满全球的百年老店。人类在太空中使用的第一款镜头、首次登月时的哈苏相机镜头都是来自卡尔·蔡司公司。肖特至今依然是全球最大玻璃厂商之一。而鲜为人知的是,卡尔·蔡司及肖特集团百年来均由一家名为卡尔·蔡司的基金会独家所有,而这个基金会的创立者,却是恩斯特·阿贝。


时间回到1888年,蔡司去世,其子将股权全部转让给阿贝。1889年,阿贝成立卡尔·蔡司基金会,将自己的股份资产转移至这家以好友命名的基金会名下。1919年,肖特公司也全部都交由基金会管理。


回望每个产业的发展,都似有一些巨人站在十字路口,演绎着复仇者联盟般的完美剧本。然而历史从不知偶然,阿贝、蔡司和肖特的亦商亦友、彼此成就,本身即代表着理论、工艺、材料三驾马车,在它们共同驱动下,光学行业开始了百年长跑。




~转移~


19世纪末,德国在光学领域已是一骑绝尘。而战争,往往是产业进步与格局演变的催化剂。


一战时期,日本对德国宣战后,德国中断了日本的玻璃材料供应,随之而来的,是军用相机、望远镜、潜望镜的大量短缺。一战后,品尝到落后滋味的日本开始由军队主导开发玻璃熔铸技术,并大量扶持日本本土企业进行光学仪器及军用光学产品的研发及生产。如今为人津津乐道的尼康、佳能、奥林巴斯无一不是起步于此。


如若说,第一次世界大战,日本光学开始觉醒。那么第二次世界大战,这头蛰伏的怪兽则开始露出虎牙。战需驱动下,日本光学产业链快速成熟。随后,勤奋而廉价的日本工人承接了来自德国的中低端光学制造,光学行业开始迎来消费级黄金时代。


与PCB、面板、半导体行业的发展如出一辙,在过去的数十年里,光学也经历了德国-日本-台湾/韩国-大陆的产业转移。


彼时光学镜头都是玻璃制成。镜头的制作,需经历材料选择-图纸设计-元件生产-产品组装。元件生产外包成为产业转移的开端。


粗磨、精磨、抛光、清洗、镀膜,这是光学元件加工的必备步骤。即使在自动化设备持续升级的今天,光学元件的精密、透明、易碎性决定了这依然是个劳动密集型的产业。如今,在中国信阳、上饶等地,围绕着凤凰、舜宇产业集群,仍活跃着数百家这样的光学玻璃镜片代工厂。而时间倒退四十年,台湾的亚洲光学、大立光,内地的凤凰、舜宇,无一不是在为日德的廉价代工里,完成了技术与资本的原始积累。


理论、工艺与材料,是光学行业的立身之本。但在过去的数十年里,光学理论与材料自身的迭代已非常有限。为满足日益多元化的下游需求,制造工艺不断革新升级,带动着不同的材料与理论反复排列组合,成为主导光学行业发展的驱动力。




~演变~


若把智能手机的兴起,看作是消费光学时代的开始。那么我们能清晰的看见,在手机、车载、安防的盛宴里,德日时代的配角们逐渐从幕后走到台前。究其根本,是因为光学的功能属性逐渐向娱乐属性倾斜,光学开始从独立产品成为电子时代的附属品



科学与艺术结晶的镜头设计开始需要向成本、体积、重量、可量产性这些充满烟火味的关键词妥协。就像是艺术家终究难以为生计低头,徕卡蔡司开始作为认证标准,尼康佳能成为记忆里的光学经典,而大立光、舜宇承接了大规模制造,悄无声息走进普通人的生活。


  从2007-2018年,是属于光学塑料的十二年。

智能手机的到来,使光学第一次面临大批量生产的考验。统治了光学行业上百年的玻璃,虽然各方面性能优异,但无论是采用打磨抛光式的冷加工,还是熔融模压式的热加工,在成本、一致性、可量产性上都难以匹配手机厂商的要求。


相对光学玻璃,塑料热稳定性差、折射率低、透光性差、易老化,但胜在成本低、质量轻、量产性强。在智能手机兴起之际,手机拍摄像素要求不过数百万,与精度、效果相比,成本、良率、可量产性才是手机厂商的生命线。于是,光学塑料成为手机镜头的不二选择。


彼时,早年同样依靠代工玻璃镜片起家的大立光,已转型研究塑料镜片近十年。十年前,塑料镜片主要用于低劣的玩具镜头上,感受到玻璃光学领域德日的遥不可及,大立光创始人林耀英开始押注成本低廉的塑料。其日复一日打磨模具加工、镀膜等工艺,大大缩小了塑胶镜头和玻璃镜头之间的性能差距。十年蛰伏,一日而生。搭上了苹果快船的大立光,从此成为手机时代的宠儿。



常年保持近70%的毛利、45%的净利率,这是消费电子领域绝无仅有的盈利巨鳄。


从2012年起,苹果便开始对这个自己一手养大的怪兽心生忌惮,暗地扶持玉晶光以期缓解大立光一家独大的局面,换来的结果却是一纸诉讼。


与光学玻璃高达数百种材料不同,光学塑料一共只有不到十种。如今主流的手机镜头均是采用5-6片塑料镜片组成的定焦镜头,这使得光学设计空间大大缩小。由于布局时间早,与苹果等顶级客户的合作又保证了公司技术上始终超前于对手,于是手握近千项发明专利的大立光,几乎让其他对手无路可走。



十年里,在几乎将同僚告了个遍后,大立光执行长林恩平淡淡的总结道,“专利没有保护性,只有攻击性”。


哪怕是如今手机镜头出货量直逼大立光的舜宇,当年亦是通过对韩国力量光学以及柯尼卡美能达的两次收购获取相关专利而切入手机镜头产业。而当手机像素突破4000万,镜片数量向7P迈进,等待舜宇的,依然是大立光严防死守的专利矩阵。避开专利,则意味着绕开理想设计,需加倍工艺打磨去弥补。


塑料时代的竞争,从开始就写下了结局。




~新生~


一战前,人类研究光学的主题是探索。探索宇宙太空、微观世界和他国的土地。望远镜、显微镜与枪瞄应运而生。


二战后,光学飞速发展的驱动是记录。记录人间喜悲、因果善恶。数码相机、手机、车载、安防相继兴起,光学应用开始走入寻常百姓家。


在人工智能加速普及的今天,人们对于记录与拍摄的追逐还在继续,而光学承载的使命却远不止于此。文字-图片-视频,人与人、人与世界的终极交互方式一定是声光电的影像。光学,将成为识别、交互的入口和核心载体。这意味着:


  • 光学的娱乐属性仍是消费电子创新的核心发力点,记录与拍摄功能将进一步升级。于是,各大手机品牌仍在像素提升的路上勇往直前。

  • 此外,光学的功能属性正逐步增强,传感、识别、交互,确保光学在未来电子产品中的核心地位。手机3D摄像头、AR眼镜开始相继出现。


新的需求,给光学行业带来一系列有趣的变革与增量。


  •  变革

誓将塑料镜头进行到底的巨头大立光最近终于松口,“塑料可能已不是最优的选择,未来不排除引入玻璃”。舜宇、联创、亚光这些昔日玻璃巨头开始跃跃欲试,磨刀霍霍向立光。

时间回到2017年,柏林的IFA 2017上,LG推出了新款V30手机。几乎没有人注意到这款手机的镜头做了一次革命性的尝试——引入一片玻璃非球面透镜。更鲜有人留意,这款镜头的设计者和提供方,是舜宇光学。塑料透镜统治手机行业近十年,似乎大家都忘了,塑料始终是一个对性能妥协的Plan B。但舜宇,始终没有忘。



对于手机镜头厂商来说,多年来,玻璃就像悬在塑料头上的一把刀,谁也不知道什么时候会落下。而一旦落下,大立光密不透风的专利帝国便可能被劈出一道巨大缝隙。这意味着什么,推进模压的舜宇联创,布局WLG的瑞声很清楚。


而实事求是的说,LG V30这款镜头的效果并不算理想。镜头中的这片玻璃透镜采用模压式加工工艺制成,然而彼时由于玻璃模压技术的限制,镜片的中心偏较大,因而不得不放到最外侧,导致对整个光学系统性能提升较为有限。若中心偏控制能更近一步,玻璃便能凸显其优势。


然而,彼时塑料镜头的发展还未到瓶颈,因此市场未给与小口径玻璃透镜模压技术足够的重视。而如今,手机CMOS的像素持续提升,大光圈镜头已成为制约手机拍摄效果的瓶颈。单纯依赖增加镜片的方式去提升分辨率,一来效果有限,另一方面镜头组装良率将大幅下降,塑料镜头发展已近天花板。


需求的升级,是工艺推动行业变革最好的催化剂。在下游的强势推动下,模压厂商的技术在持续提升,已有厂商各项性能可基本满足市场需求。


无论是否鸡肋,手机像素的升级从未停止。目前,包括苹果、三星、华为在内的厂商均在积极内测中,部分厂商预计今年即将推出内置玻塑混合镜头的机型。可以预见,从量变到质变,根正苗红的玻璃镜头将逐步回归


  • 增量

 2017年9月,被视为苹果由盛转衰的代表作iPhoneX问世了。人人都在竞相吐槽着刘海屏的   丑,HOV的工程师们却一脸懵逼,这里面是个啥。


结构光的原理可能三两句便可说清,但工业领域,理论与工程量产之间便是千山万水。事实上,小小的刘海下,内部结构之复杂远超想象。以至于业内传言,华为拆解近千部iPhoneX只为探究其究竟。


而当我们拆解iPhoneX供应链,却可以看见一些有趣的现象。iPhoneX内部衍射光学元件由苹果自行设计,台积电代工;iPhoneX内的准直镜,采用晶圆级工艺,由AMS收购的晶圆级封装厂Heptagon提供。


台积电、AMS,这两个与传统光学素无瓜葛的半导体公司,倏然闯入了消费光学的大门。留下两个耐人寻味的关键词:物理光学(衍射光学)、半导体工艺(微纳加工与晶圆级加工)。


尽管饱受诟病,iPhoneX仍是一款革命性产品,它使得苹果布局AR之心昭然若揭,亦为下一代人机交互及计算平台指明了方向,将消费光学带入信息光学时代。


信息光学时代,以物理光学为理论基础的光学元件,将开始频频出现在消费光学领域简单来说,不同于镜头所用几何光学是基于宏观层面反射折射来实现光路设计,而物理光学则更多的从微观层面,基于光的波动性产生的干涉、衍射现象来操控光波。


物理光学的应用,是光学与信息处理结合的理论基础。结构光中的DOE、TOF中的diffuser以及衍射路径的AR光波导模组的设计应用无不基于此。


有趣的是,物理光学本质更迎合了半导体集成化的加工方式。由于其往往是通过在平面光学元件表面形成微纳米级结构,实现对光波的精密控制,因此生产多基于耐热、光学性能更优的玻璃基底进行微纳加工。半导体工艺带来大规模生产的成本及良率优势,使得物理光学亦在部分领域出现了对几何光学的替代。如AR眼镜中,衍射光波导即由于其量产优势,替代基于几何光学但加工极其复杂的阵列光波导,成为C端AR眼镜更具前景的技术路径。


除了物理光学,我们可以看到半导体工艺亦悄无声息走入几何光学的地盘瑞声、晶方、AMS、Himax等厂商近年在晶圆级光学领域的系列布局便已初露端倪。以玻璃晶圆加工,不仅可实现镜片的批量制造,且数片晶圆可直接压合成镜头,改变现有镜头组装方式。虽现下该技术受制于工艺,只能用于传感,而随着未来工艺升级,也许会逐渐渗透至成像,颠覆传统镜头制造业。



以产能、良率为生命线。材料定义产品的性能边界,边界范围内,需求倒逼工艺升级。工艺迭代朝着两个亘古不变的方向:性能提升、小型化降低成本。这便是消费光学时代的生存指南。


当我们从理论、工艺与材料,细数消费光学的增量与变革,不难发现,几何光学的演进从未停止,而物理光学的应用将逐渐深入;模压热加工渐兴起,光学加工将在未来逐步向半导体工艺靠拢。而性能要求的持续提升与各类工艺的持续升级,将使得玻璃材料逐步回归




~超越~


人类对视觉科学近乎苛刻的追求,使得光学行业残酷却又充满机遇。而站在这个量变到质变,成像光学向信息光学拓展的拐角,这仍是光学最好的时代。


理论、材料与工艺的结合,成就了耶拿的光学奇迹。而三股力量此消彼长,反复博弈,也决定了百年间,光学行业在全球布局的是与非、成与败。


消费光学十年,德日已再无可能承接规模制造。而拥有最大下游市场、完备的产业链和丰富的玻璃光学制造能力的大陆企业,必将在这一轮行业拐点逆势超车。


玻璃已然归来,静待东方崛起!