有哪些典型的非民用相机? | 目的地Destination

有哪些典型的非民用相机?

俨然是个巨坑,我慢慢填。

若有错漏欢迎各位指出。

感谢 @砸场子 指出的关于 1910 年代气球相机型号的错误以及 RMK 系列相机生产年代的错误。

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广义上,照相机是任何可以捕捉和记录影像的设备

最常见的照相机拍摄可见光的影像,但并不是所有照相机都需要可见光(如红外线成像仪),有的甚至不需要一个传统意义上的光源(如扫描隧道显微镜)。

很多设备都具备照相机的特征,如雷达、医学成像设备、天文观测设备等等。

—— Wikipedia 照相机词条 wikipedia.org

下面分为两个大类:军用摄影器材,科研摄影器材。

其实严格来说民用应该是相对于军用而言的,但部分民用的相机,比如科研用的相机,在性能和造价上已经远远超过普通个人和单位可以承担的范畴,所以我也谈一谈。

1. 军用摄影器材
1.1 航空摄影器材
1.1.1 航空拍摄简史

19 世纪中叶,将“针孔成像”原理和化学显影方法合二为一的摄影术开始流行,摄影的时代刚刚开启,就有富有创新精神的人们将这一新技术升到半空中,俯瞰我们热爱的大地。

*一幅表现航拍者的漫画

这群在引领潮流上跑得比谁都快的人们,就是世界上最早的航拍者。

很快,军事家们就意识到了这一新技术对情报收集的重大意义。这一全新的视角对迅速催生了航空摄影的发展,而航空摄影的发展也反过来促进了摄影器材的大跃进。

*风筝中部挂载着相机,M. Arthur Batut 制造

最开始,摄影师们不得不携带笨重的相机在气球上拍照,那是一个没有飞机的时代,那是一个拍一张照片就需要换一张底片的时代,那是一个连胶片都没有需要用玻璃底片的时代。后期,摄影设备的小型化使得摄影师们可以在地面通过导线遥控无人气球或者风筝进行拍摄。1910年,德国蔡司公司已经推出了专用的气球相机,这台相机可以搭载在云台上,自由调整角度。

* 1910 年的气球相机,蔡司制造

1903 年,莱特兄弟发明了飞机,人类终于可以实现动力飞行。飞机的出现,对世界是个极大的震撼。在速度更快,飞行高度更高,灵活性也大大增强的飞机上,老式的气球相机已经无法担当航拍的重任。很快,大量先进技术就应用到了航拍的相机上,机械快门,多镜头设计,可调节光圈这些在今天我们看来几乎是必备参数的东西,对于当时的摄影师们来说可以算得上是天顶星黑科技了。

自动更换硬式底片的设计也很快出现,省去了手动更换底片的麻烦,后来柯达公司推出的软式胶片则取而代之,成为了业界的新标准。

*一战期间,飞机开始作为侦查工具使用。

* 鸽子及其携带的微型相机

* 鸽子拍摄的照片(问题来了,版权应该归谁?)

一战期间,在天上为照片而飞的除了摄影师,还有鸽子。受过训练的信鸽胸前绑着小型相机,按照预定线路飞过,相机的定时快门会在预定的时间内曝光拍照,但由于鸽子飞行的路线,飞行速度,天气情况等诸多原因,照片质量并不很理想,所以该项技术没有被广泛采用。

1920 年代,蔡司公司开发出多种自动航空相机,不仅镜头质量高,电机驱动的内部机件运作起来也更为精确。1930 年代,费尔柴尔德公司生产出当时世界上最大的长焦距航空相机,带有电加热装置,可在近万米高空的低温环境下进行全自动拍摄。

* 蔡司 RMK 系列照相机

二战期间,航空照相术则进一步发展,不但用于侦察,也用于轰炸瞄准,打击评估等方面。这一时期的著名航空照相机有德国空军的 Rb 系列(机内), HK 系列(手持),英国皇家航空研究院的 F.24 ,F.52型,美国的费尔柴尔德 K-17、K-22、F-56 等型号。

适应夜间拍摄的相机也开始崭露头角,对高感光度的要求催生了使用照明弹触发快门的设计(大约是闪光同步的鼻祖?),快速冲洗设备也为情报的收集和处理提供了便利。

部分照片还被作为心理战的工具,用于唤起敌方对轰炸的恐惧。

* 千疮百孔的大地

* 闪光弹照明下拍摄的照片

二战后,军用航空摄影进一步发展,相机型号不但包含了可见光波段,还发展出了红外线和紫外线波段的相机。航空相机在用途上逐渐分化出侦查用和测绘用两大类别,一个用于普查目标,一个用于精确估计目标情况。

冷战期间部分著名的侦察机及携带的相机

* U-2 高空侦察机

* 被人民解放军击落的 U-2 侦察机残骸,现藏于北京军事博物馆

* U-2 携带的 HR-732 相机

* 地勤人员正在给 U-2 安装相机

* U-2 拍摄的苏联机场

* SR-71 “黑鸟” 战略侦察机,携带多种传感器设备,双三,从未被击落,航空史上的一个传奇

* SR-71 的侦查范围示意图

* TROC (Terrain Objective Camera) 地形照相机
由 Fairchild 制造, 6 英寸长的焦距,9 英寸宽胶片,用于地图测绘,位于机鼻。
大约有 25 英尺的分辨率,主要用于跟踪飞行的轨迹,确认途中经过的国家和地区。

* OBC (Optical bar camera) 光学条形照相机

最开始由 ITEK 制造,后改由 Goodrich 制造。高分辨率全景相机,每小时可以测绘 26 万平方千米的地表。最初为 600mm 焦距,后改为 760mm。

* OBC 结构图

* TEOC Technical Objective Camera 技术目标相机
Hycon 制造,1200mm 焦距,15cm 地表分辨率,可在 0° 到 45° 间偏转。

* TEOC 结构图

* 从中国南海靠近菲律宾海域打捞上来的 SR-71 残骸及 TEOC,1989 年由于引擎故障坠毁

* TEOC 拍摄的空军基地照片

顺便也提一下苏联方面的侦查相机好了:

* 搭载于苏制米格 25 上的 A-70M 相机

1.1.2 航空器光电系统

飞机上有雷达,雷达这个大家是再熟悉不过了,它可以对外发射电磁波,通过目标反射的电磁波对目标的数目,类型进行识别,追踪。稍微对军事有点了解的朋友可能还知道:通过对敌方雷达波信号的识别,也可以做到识别对方雷达型号进而达到识别对方机型的效果。

冷战过后,现代高技术战争对战场侦察和作战评估的时效性要求进一步提高,如何做到在不被敌方发现的情况下发现敌方,是一个两难的命题。

一方面越强大的雷达往往意味着更大的发射功率,而这些信号却又会暴露自己的行踪。光电一体化的红外搜索与跟踪技术为这一问题提出了新的解决方案。红外光电系统可以在完全静默的情况下搜索、探测、跟踪。这个过程中不会有电磁波发射,自然也就不会触发对方的雷达告警器。

高速飞行的飞机本身就会和空气摩擦产生大量的热量,现代战斗机使用的涡扇发动机更是明显的热源。

* 即使是以隐身性能著称的 F-22,也不可避免地在飞行过程中发出热信号

红外搜索与跟踪系统(Infrared Search and Track,IRST)与雷达搭配,往往可以取得事半功倍的效果。下面是一些著名的 IRST 系统:

最早在战斗机上搭载现代 IRST 系统的是前苏联的 MIG-29 和 Su-27。

* Su-27 系列战斗机搭载的 IRST 光电系统(具体型号为 OEPS-27光电雷达)

OEPS-27 还有一个同门师兄弟,OEPS-29,性能略弱,体积重量也小一些,安装在 MIG 29 上。

后来,OEPS-27 发展出了 OLS-30(Optiko-Lokatsionnaya-Stantsiya,英文为 Optical Locator Station,OLS),为苏-30MKI系列战斗机的定制版。进一步升级的 OLS-35 搭载在 Su-35 上;类似的,OEPS-29 的发展型 OLS-13S 和 OLS-13SM 分别搭载在 MIG-29SM 和 MIG-29SMT 上,MIG-35 则搭载 OLS-13SM-1 或 OLS-UE/M + OLS-K(包含了 320*256 像素的热探测仪和一部 640*480 像素的电视摄影机,以及红外,激光跟踪测距设备)。

美国自然也不甘落后,在 F-14 的改进型上打在了 AN/ASS-42 系统:

* F-14 的 AN/AAS-42 光电系统,位于机头下方,包含了一个红外探头和一个光学放大器

F-14 退役后,AN/ASS-42 并没有被放弃,而是被安装在 YAL-1A 平台,F-15K,F-15SG 上,后来也被做成吊舱,可以搭载在其他飞机上。

* YAL-1A 平台

法国在最新研制的阵风战斗机上也搭载了 IRST 设备:

* 阵风战斗机装备的前扇区光电(Optronique Secteur Frontal,OSF)IRST

而说到了 红外搜索与跟踪系统(Infrared Search and Track,IRST),就不得不提另一个经常被混淆的概念:FLIR(Forward looking infrared 前视红外系统)两者的重要区别就是 IRST 一般是对空的,FLIR 一般是对地的,IRST 更像传统意义上的雷达(成像是点),FLIR 更像传统意义上的相机(包括目标细节的像)。

但是,IRST 和 FLIR 的成像并不是完美的。这个系统最大的问题在于测距,知道目标在哪却不知道距离,对于火控系统来说是不可接受的,所以后来就有了结合可见光,激光,红外等多种侦查方式的光电系统了。

光电系统按照光路可以分为分光路共光路两大类:

分光路设计里最出名的,莫过于无人机和武装直升机机鼻的那个 “小球”,学名叫 多探测器转塔(Multi-Sensor-Turret)。

* 武直-10 的多探测器转塔,可以清楚地看到有多个开口,分别对应不同的传感器。

除了多探测器转塔,另一种分光路设计是导航和瞄准吊舱(Navigation & Targeting Pod)。

最著名的应该是美国的 Lantirn 系统,由 AAQ-13 导航吊舱 AAQ-14 瞄准吊舱组成。

* AAQ-13 导航吊舱

* 我军的蓝天系列 WMD-7,可以很清楚的看见两个窗口。

由于分光路里多个设备的视角局限性的存在,转台的设计是不可避免的,而这额外的结构带来的震动在高速飞行下可能带来可靠性的降低。共光路吊舱往往使用楔形光窗面,这有效避免了在高速飞行下的震动,提高了可靠性。

* 共光路设计的代表作 Sniper 狙击手吊舱,用于 F-15/16/18,窗口由蓝宝石玻璃打造

* 珠海航展上亮相的我国 AUEODS 先进联合光电探测系统

* 除了吊舱,欧洲战斗机“台风”(Typhoon)的红外搜索与跟踪/前视红外双工作模式的被动式红外机载跟踪装备(Passive Infrared Airborne Tracking Equipment,PIRATE 海盗系统)也是共光轴设计。

共光路光电设备比起分立式的 FLIR/IRST 已经有了很大进步,但由于需要外挂吊舱,不能满足四代机的隐身需要,这就催生了 EODAS(electro-optical distributed aperture system 光电分布式孔径系统)

这一系统在 F-35 上首次装备,代号 AN/AAQ-37。由 6 个 1024X1024 像素的红外焦平面阵列组成,直接固定在飞机结构上,取消了之前的转向系统和支架。但由于技术不成熟经常有各种烦心的小事情发生。

为了弥补这一缺陷,F-35 还搭载了 EOTS(Electro-Optical Targeting System,电光瞄准系统)

* F-35 搭载的 EOTS 系统,同样位于机头下方

我国最新的四代机 J-20 上,也安装了类似的 EOTS 设备。

* J20 机头下方的鼓包搭载的光电系统

据猜测,这应该就是 2015 年中国军民融合技术装备北京博览会上中陆航星展出的 EOTS-86。

这款 EOTS 设备:

  • 适装于歼-20、歼-31、苏-27系列、T-50、苏-34、轰-6K、图-160等机型
  • 含远红外搜索、中红外跟踪、激光测照等多种探测模式
  • 主要用于对空、地、海昼夜搜索、精确跟踪和瞄准以及武器制导。可以在雷达关机的情况下以空空、空面模式搜索和跟踪目标,并能够为飞行员准确指示目标位置。可与红外全景搜索系统、机载火控雷达配合使用,可对红外全景搜索系统或机载火控雷达搜索的目标进行精确跟踪、定位及瞄准,引导机载武器系统攻击目标。可与头盔瞄准具联动工作
  • 对F-22发现距离110公里,对B-2发现距离150公里
  • 重量48公斤(比 F-35 同类型设备轻 50%),寿命10000小时(20年)

1.1.3 间谍卫星

军用的光学摄影设备里,站在最顶端的莫过于间谍卫星了,不管是从系统复杂度,造价,保密级别或者字面意义上的高度都是顶级的。

1.1.3.1 锁眼系列(Key Hole)卫星

*KH 系列卫星的发射流程

1959 年到 1972 年冷战期间,美国中央情报局为了达成对苏联和我国的战略情报收集,开展了代号为 Corona(KH-1 到 4) 的间谍卫星计划,后期逐渐发展到 KH-11,该计划一共发射了上百颗大型光学间谍卫星。这就是著名的 KH 系列间谍卫星。在笔者看来,这是间谍卫星的巅峰之作。

该系列卫星分为两大类,普查类和详查类,普查类的主要目的是地图测绘,详查类则主要是针对重要目标的情报收集。

*柯达制造的胶片载荷

Corona 卫星最初使用柯达制造70 毫米乙酸酯基薄膜胶片(后改为聚酯基薄膜)610 毫米焦距摄像机,分辨率为 170 线/mm,大约等效于地面 7.5 m 分辨率的照片。 任务开始时,每个相机有 2,400 米的胶片,每颗卫星可以携带两个相机,总共约 4,800 米的胶片。后期随着技术改进,坯料厚度减少允许更多的胶片被承载,第五代开始携带的胶片的量增加一倍

*该系列胶片均为黑白胶片,但也有例外:任务 1104 上使用的是红外膜,在任务 1105 和 1008 上使用的是彩色膜。然而,彩色膜证明具有较低的分辨率,此后未再次使用。

*Tessar 镜头结构示意图

相机由 Itek 公司制造。采用的是直径 30厘米,f / 5 三合透镜设计。它们与 蔡司(Zeiss) 在德国开发的 Tessar 镜头(一种非对称正光镜头)非常相似,相机本身最初长 1.5 米,后来延伸到长 2.7 米。第一个 Corona 卫星只有一个相机,后期升级为一个双相机系统(DISIC)。前置摄像机向前倾斜 15°,后置摄像机向后倾斜 15°,从而可以获得立体图像。再后来,卫星使用了三个摄像机。第三台摄影机用于拍摄立体摄影的物体的 “索引” 照片(KH-7 开始采用)。

看看,这俨然就是从卡片机升级到大画幅的烧钱过程(误)

*KH-1 到 KH-3,卫星的体积逐步增大

从 KH-3 开始,分辨率提升到等效地面 3 m。后期逐渐提升到亚米级别,一般为 0.9 m 分辨率,在某次单独任务中,通过牺牲视野的方式获得了高达 0.3m 的分辨率

* 由 KH 卫星拍摄的五角大楼,摄于 1967 年 9 月 25 日

从 KH-4 卫星开始,这些镜头替换为 Petzval f / 3.5 全景镜头。并且通过与轨道的方向垂直的 70°弧移动。选择全景镜头是因为它可以获得更宽的图像。虽然最佳分辨率仅在图像中心获得,但这可以通过使相机自动(“往复”)在70°的弧上来回扫描来克服。相机上的镜头不断旋转,以抵消卫星在地球上移动的模糊效应。

可以看出,那时候的人们就知道了接片和堆栈的重要性,也知道了要从狗头换成牛头(误)

*KH-1到 KH-4A 的结构图,可以很明显地看出卫星的体积的增大

* J-3 相机系统,1967年首次部署。

该系统将相机放在一个鼓状结构上。通过来回移动该结构,消除了在往复机构上移动相机本身的需要。该鼓允许使用多达两个滤光片,大大改善了图像的质量。

滤镜系统也是很重要的,ND,CPL 统统来一打(误)

*KH-5 Argon 系列

搭载一台 76mm 焦距,地面分辨率 140m,视野 556*556 km 的相机,传回了南极大陆的第一张卫星照片。

* KH-6 Lanyard 系列

KH-6 是为了应对塔林地区可能出现的反弹道导弹而赶工的项目,搭载 Itek 为 Samos 项目制造的 E-5 相机,1670mm 焦距,地面分辨率 1.8m,视野 14*74km,686m 胶卷,910 帧。。

* KH-7 Gambit 系列,首次采用三相机系统

该系统由柯达制造,首次实现了亚米级分辨率(0.91 m),1966 年提升到 0.6m。

* KH-7 的发射和回收,终于有彩色照片了

*由 KH-7 拍摄的我国上世纪 60 年代的某处设施,虽然我觉得应该不会涉密了但还是做了高斯模糊

* KH-8 Gambit 3 系列,丧心病狂的四相机系统(不要问我 Gambit 2 去哪里了我也不知道)。

柯达制造,主相机为 4460 mm 的长焦大炮,据信可以达到 0.10m 的地面分辨率,也就是可以拍得见车牌。另外携带一个 75mm 的地形相机,两个 90mm 的观星相机用于校准卫星姿态。

*解密的 KH-8 相片,图为苏联的 N-1 登月火箭,发射几次全部失败爆炸。

* 正在吊装的 KH-9 Big Bird,注意图片右下角的工作人员,可以体会到 KH-9 是一颗巨大的卫星

* 在进行振动测试的 KH-9

同样使用四相机系统,由 Perkin-Elmer 设计,1500mm f/3.0 镜头,120° 视角,0.61 m 分辨率。

KH-9 携带了 ELINT 子卫星用于窃听苏联的雷达和战略导弹通讯信号。

* 最终停留在纸面上的 KH-10

KH-10 原本的设计是发射多个载人舱段组成在轨人操空间站进行情报收集活动,发射了一次无人舱段进行验证后,因效费比问题以及阿波罗计划的进行而停止了该项目,载人空间站的计划后转变为天空实验室(Skylab)。

* KH-11 Kennen,至今仍然高度保密,但从泄露或解密的资料来看,在大小和结构上和哈勃望远镜相近。

该系列卫星作为 KH-9 的替代型号,从 80 年代使用至今,它曾参加过对 1998 年美国大使馆爆炸案的情报收集。

* 2005 年 KH-11/11B/11S/12 的一次发射,使用大力神 4B 火箭

该型号是首个使用数据链和数码拍摄的美国间谍卫星,数据通过一个加密的卫星网络发送,并于 58 区的大口径天线接收。

为什么说哈勃望远镜的技术可能是来自于这个间谍卫星呢?在 NASA 介绍哈勃望远镜的资料里有一段话,是关于采用 2.4m 或是 3m 直径的镜片的讨论:

In addition, changing to a 2.4-meter mirror would lessen fabrication costs by using manufacturing technologies developed for military spy satellites.

…除此以外,改为 2.4m 直径的镜片将会降低制造成本,在这个过程中我们可以使用已经成熟的用于军事间谍卫星的技术

除此以外,CIA 解密的文档里也指出存在过一款初期采用 2.34m 直径镜片,后来改进型镜片略微增大的间谍卫星。2011 年 NRO 曾提供了两个据信是间谍卫星淘汰下来的 2.4m 直径的光学单元给 NASA 用于下一代光学望远镜的发展,该系列光学单元使用 2.4m f/1.2 的主镜,总光圈大约为 f/8,焦距也略微短于哈勃望远镜,总体性能大幅优于哈勃使用的 f/24 光学系统。这些证据都指向了 KH-11 及其改进型的存在。

通过 NRO 提供的光学单元估测,该系统在 250km 轨道高度上可以获得精度高达 0.05m 的图像,由于大气扰动的存在,进行人脸识别可能还是有些吃力,但已经足够满足绝大多数的情报收集需要。

*KH-11 系列卫星的轨道,2013 年数据

KH-11 的后续计划是 KH-11B/S 和 KH-12,有多个代号:Advanced KENNEN, Improved Crystal 和 Ikon。KH-13 只是传言中的下一代间谍卫星,美国官方从未承认或否认其存在。

KH-11 及其改进型最近的一次发射是在 2013 年。

1.1.3.2 礼炮空间站

2. 科研用相机

2.1 光学望远镜(天文)

望远镜,顾名思义,是用来看远方的事物的。

摄影爱好者们最津津乐道的镜头里,有很大一部分就是大炮——“长焦镜头”,长焦镜头搭配上超高像素的相机,几乎能满足人们对探寻未知的一切幻想。在这条路上走得最远的,一定是那些探寻宇宙终极奥秘的眼睛们:天文望远镜。

2.1.1 伽利略的灵机一动——双镜折射望远镜

1609年,荷兰眼镜商造出了“望远镜”,当时远在意大利的伽利略听到了这条新闻,愣是用自己天才的光学知识储备和动手能力做出了自己的折射望远镜。虽然现在看起来,只由一片凸透镜和一片凹透镜组成的望远镜未免太过简陋了点,但在可以称得上是那个时代的 “哈勃望远镜” 了,放大高达 20x,是全世界最好的望远镜。

* 世界上第一台折射天文望远镜

当伽利略老爷子将这根小管子指向夜空时,世界上第一台折射天文望远镜就这样诞生了。伽利略自己可能都没有意识到,他的这一举动,为后来数百年间的天文学打开了一条全新的道路。

伽利略是全人类第一个用望远镜观测星空的人。伽利略用着这根小管子,向宇宙发问,寻找宇宙的秘密。

这不看不知道,一看吓一跳,原本以为是光滑的月亮表面居然有环形山,太阳表面居然有黑点点(黑子),那木星周围居然也有几个小卫星提溜提溜地围着转。好家伙,银河居然是星河!

这立马引起了江湖震动,各位天文学物理学大佬纷纷学习,争相探求宇宙的秘密。

自伽利略之后,我们就从未放弃在这条充满荆棘和坎坷的大路上艰难前行。

2.1.2 进击的开普勒和霍尔——多镜片折射望远镜

大家对开普勒的了解可能更多是因为课本里的开普勒效应,但在天文望远镜的设计上,开普勒望远镜的出现也可以称得上是里程碑式的发明。

1611 年,使用一个凸透镜代替原来的一个凹透镜作为目镜,开普勒望远镜诞生了。比起伽利略老爷子的望远镜,开普勒的设计提升了视野和适眼距,这种设计可以达到更高的倍率

这一设计被后来继承发扬,最后成为了折射望远镜的经典范式。

霍尔,则是一位英国律师,大名:切斯特·穆尔·霍尔。

你说一位好好的律师,跑来折腾什么望远镜呢?

* 消色散镜片的设计

霍尔说:我也不是谦虚,我就做了一点微小的工作,发明了消色散的折射望远镜,这对折射望远镜的命运有很大的关系!

不同波长的光线有不同的偏折角度,这使得不同颜色的光汇聚在不同的焦点,而使用两种对不同颜色光线折射率不同的玻璃,就可以校正色差。

* 高消色散光学设计在民用领域的使用,Super-Achromat

正是这两位的聪明才智,让折射望远镜得以做大做强,最出名的折射望远镜,应该是叶凯士天文台(Yerkes Observatory)的望远镜了。

* 折射望远镜的集大成者

这台望远镜堪称折射望远镜的集大成者,口径高达 1m,并且使用多枚不同种类的玻璃对色散进行了不错的控制。

* 叶凯士望远镜拍摄的照片,摄于 20 世纪初

2.1.3 另辟蹊径——牛顿,施密特与反射式望远镜的崛起

2.1.4 德意志的科技一级棒——施密特与折反射式望远镜

2.2 显微镜

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来源:知乎 www.zhihu.com
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