手机镜头如何实现更远变焦

不能因变焦牺牲手感
早在功能机时代,支持光学变焦的镜头就已经为少数产品服务了,但无论夏普V602SH还是诺基亚N93,它们不仅价格(相对同期其他机型)昂贵,尺寸和重量也严重超标,哪怕到了智能手机时代,早期支持“光变”的手机同样以臃肿著称。没办法,光学变焦镜头内需要容纳马达和镜片位移的空间,如果强行将其塞入手机体内,只能成就Galaxy S4 Zoom这类堪比卡片相机的产品形态(图12),失去了良好持握手感的手机,注定会被普通消费者所抛弃。
手机镜头如何实现更远变焦

那么,如何才能在不影响智能手机纤薄身材的前提下获得光学变焦拍摄的能力?此时,就只能从镜头的物理结构层面着手了。
伸缩式镜头的尝试
根据镜头伸缩模式,伸缩式镜头可以被细分为“内伸缩式”和“外伸缩式”。其中,夏普V602SH/V903SH和诺基亚N93系列就是“内伸缩式”镜头的代表,它们都将光学镜片位移的轨道隐藏在整个摄像头模组内(图13),整个变焦过程都是在镜头模组内完成的。
手机镜头如何实现更远变焦

三星Galaxy S4 Zoom和Altek A14 Leo等手机则是“外伸缩式”镜头的代表,它们的光学镜片平时都隐藏在镜头的套筒内,只有启动相机APP后镜头模组才会探出,并随着变焦调节进行机械上的前后位移,其表现形式和传统卡片相机相同(图14)。
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可惜,无论是哪种形态的伸缩式镜头,都不符合时下用户的审美观,“内伸缩式”镜头需要手机变身手持DV形态,而“外伸缩式”镜头则会换来和卡片DC相似的身材,换做你你会乐意吗?
潜望式镜头的首秀
伸缩式镜头之所以臃肿,是因为它们的传感器、镜头和镜片都呈垂直排列,需要占用极大的纵向空间,所以才不适合手机猎装。为了解决这一问题,“潜望式”镜头便出现了。
华硕ZenFone Zoom就是第一款引入潜望式镜头的智能手机,而且还是进阶版的“二次反射潜望式镜头”。这款产品在镜头模组内集成了10枚光学镜片,并呈“凹”字排列,凹字两个顶点分别对应镜头和传感器,而中间下凹的横线处则排列着可横向位移实现变焦的光学镜片,这些镜片则通过边缘的两次折射最终让画面得以“传输”(图15)。
手机镜头如何实现更远变焦

为了精准控制变焦时镜片移动的距离,以及优化成像算法,ZenFone Zoom还需要集成独立的ISP和相关的供电芯片,整套相机模组需要更大的PCB主板面积(图16)。如此复杂的物理结构,注定要占用5倍~6倍传统手机摄像头的空间。因此,ZenFone Zoom最终的产品厚度还是达到了12mm左右,依旧与轻薄绝缘。
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此外,由于ZenFone Zoom只有一颗摄像头,并采用了复杂的二次反射潜望式结构,虽然可以带来1X~3X的“光学线性变焦”能力(无论哪个焦段都是光学变焦),但其在1X正常拍摄下的成像质量却较为一般。
硬件模组庞大、综合拍照能力一般、成本和耗电量突出,这些都是ZenFone Zoom特色“二次反射潜望式镜头”的缺点。因此,这一方案自然无法成为主流,只能作为一段惋惜的历史供人回顾。
长焦镜头的局限性
对智能手机而言,“随手拍出好照片”才是刚需,而“变焦拍摄”只是锦上添花的卖点,光学线性变焦更是属于“伪刚需”。
这就好像玩单反的用户,变焦镜头远不如多个定焦镜头实际(图17)。在这个理念下,采用主摄(随手拍)+定焦镜头(变焦拍)的组合便成为了中高端新品的标配,前者只需满足25mm~28mm的日常黄金焦距拍摄,而后者能覆盖50mm、85mm、135mm等几个黄金焦距即可。

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重温“变焦”的流程
为了让大家更好的理解智能手机的变焦拍照,我们还需重温一下焦距和变焦和关系。
所谓“焦距”,就是指手机镜头内从光学镜片中心到底片、CCD或CMOS等成像平面的距离。焦距数值越小,镜头的视角也就越大,同等距离内可以拍下更为广阔的空间;焦距数值越大,镜头视角越小,可将距离很远的被摄物体拉至画面中很近的位置(图18)。
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一般来说,一颗焦距在16mm左右的摄像头,就可被称为“超广角镜头”。
一颗焦距在25mm到30mm左右的摄像头,就属于“广角镜头”,或者称为“标准镜头”,也就是智能手机上的“主摄”。
只要镜头的焦距大于50mm,在手机领域它就可以被归类到“长焦镜头”,焦距越大,其“光学变焦”的倍数也就越大。
以苹果iPhone为例,从iPhone 7 Plus到iPhone XS Max采用了28mm或26mm焦距的“主摄”,以及56mm焦距的“长焦镜头”。56mm÷28mm=2,所以iPhone家族的长焦镜头刚好可以实现2X的光学变焦。
采用28mm和56mm双定焦镜头的iPhone的拍照逻辑是,默认状态下以28mm镜头进行1X拍照,当切换至2X时则启动56mm镜头拍照。在1X~2X之间变焦时由28mm镜头负责,由于此时画面只有轻微的拉伸,借助算法可以实现接近无损变焦的效果,画面损失不大。当进行超过2X的变焦时,则会在56mm镜头的基础上进行数码变焦(表1)。
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华为Mate 20 Pro为例,这款三摄手机由16mm焦距的“超广角镜头”、27mm焦距的“主摄”,以及80mm焦距的“长焦镜头”组成(图19),由于80mm÷27mm=2.96≈3,所以它的长焦镜头就拥有了(近似)3X光学变焦的能力。作为对比,华为Mate 20的长焦镜头焦距只有52mm,所以它的光学变焦能力就只有2X的水准。
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需要注意的是,华为Mate 20 Pro的主摄像素高达4000万,在特殊的算法加持下,这款产品同时还支持135mm等效焦距的5X混合变焦,以及270mm等效焦距的10X数码变焦,前者是利用三颗镜头协同作战达成,而后者就完全是数码变焦了,画质损失极大(表2)。由于有着超广角镜头的加持,所以Mate 20 Pro的整个变焦焦段覆盖了0.6X~10X的超大范围。
手机镜头如何实现更远变焦

由此可见,智能手机能实现几倍的光学变焦,全完取决于长焦镜头的焦段。因此,智能手机要想“看的更远”,就得从这颗镜头的内部结构加以优化了。
长焦镜头的焦距并非想增加就能增加的,一个5X定焦镜头的模组厚度可能就要超过12mm,而智能手机的平均厚度不过8mm,根本塞不进去。此时,前文提到过的“潜望式结构”终于有机会再次登场了。
潜望式镜头再登台
早在2017年的MWC2017上,OPPO就曾带来过业界首款潜望式双摄像头(广角+长焦)的结构(图1),支持5倍无损变焦,只是受限于当时的传感器素质、光学结构和成像算法等技术难点,一直都停留在概念阶段。
手机镜头如何实现更远变焦

如今,华为OPPO几乎同时量产了潜望式镜头模块,并将其用在了旗下最新旗舰之作——P30 Pro和Reno(10倍变焦版,下同)身上,分别主打最高50倍数码变焦以及10倍的混合光学变焦能力。至此,Android手机的拍照能力即将迎来一次飞跃性的进步。
和ZenFone Zoom的差别
前文提到过,华硕ZenFone Zoom才是智能手机领域用上潜望式镜头的“前辈”。作为后来者,华为P30 Pro和OPPO Reno的潜望式镜头有什么变化吗?
简单来说,我们可以将华为P30 Pro和OPPO Reno的潜望式镜头视为ZenFone Zoom镜头的简化版,后者通过更复杂的二次反射和更多光学镜片以及位移马达等部件,获得了1X到3X之间自由光学变焦的能力,是一颗潜望式的“变焦镜头”。
没错,华为OPPO搭配的其实只是一颗潜望式的“定焦镜头”,它们通过在光学镜头(Lens)、音圈马达(VCM)、红外滤光片(IRCF)、图像传感器(Sensor)的基础上,增加了额外的镜片和光线转向元件,并将它们横向设计(图2)(图3),从而实现了125mm(P30 Pro)和160mm(Reno)的焦距,较之Mate 20 Pro的80mm焦距的3X长焦镜头有了大幅提升。
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华为P30 Pro的潜望式多摄模块设计
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OPPO Reno的潜望式多摄模块设计
不要因为P30 Pro和Reno的潜望式镜头只支持定焦就小看它们哦,要知道P30 Pro的机身厚度仅有8.41mm,Reno也仅是9.3mm的身材而且镜头不凸出,它们都没有因更强的拍照性能而牺牲便携性和持握手感。
全新潜望结构是如何炼成的
华为P30 Pro和OPPO Reno的潜望式镜头结构大致相同,光线转向单元都包括棱镜外壳、棱镜、棱镜座、支承轴套、支承轴和支承卡座。其中,OPPO Reno的内部镜片采用了定制的D-Cut模组和非对称注塑成型工艺,犹如在圆形镜片上平行切割了两刀,在保证有效光学尺寸的同时降低了镜片厚度(图4),最终将整个长焦潜望模组的厚度缩减到了5.75mm,从而可以轻松塞进智能手机体内且不凸出。为了确保变焦拍摄时的稳定,两款手机都在主摄和潜望式镜头端集成了OIS光学防抖功能。
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华为P30 Pro与OPPO Reno潜望式镜头设计的不同之处在于,P30 Pro没有为了曲率而去切割镜片,镜片都还是圆形,所以在厚度上略有增加,而且焦段比Reno少了35mm(125mm VS 160mm)。从工艺的难度来看,OPPO Reno占有一定优势(图5)。
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OPPO 10倍混合光学变焦摄像头模组拆解图,来自Z·Teardown
来自变焦定义的差异
华为P30 Pro与OPPO Reno潜望式镜头结构相似,但它们对光学变焦的焦段定义却存在差异,也因此前者主打“5X光学变焦”,而后者却强调“10X混合光学变焦”的戏码(见表)。
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简单来说,华为P30 Pro将4000万像素主摄像头的27mm焦距定义为1X,此时它2000万像素广角镜头的16mm焦距就等效为0.6X(16mm÷27mm≈0.6)变焦,而800万像素潜望式长焦镜头则恰好接近等效5X(125÷27mm=4.6≈5)的焦段(图6),因此P30 Pro才能在宣传中强调“支持5X光学变焦”这个卖点。至于其主打的10X混合变焦和50X数码变焦,则分别对应270mm和1350mm焦段。
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华为在官网也强调5倍变焦为近似值
OPPO Reno此次将800万像素超广角镜头的16mm焦距定义为1X,而它的1300万像素潜望式长焦镜头则拥有160mm的焦距,基于超广角镜头的等效焦段恰好覆盖了从1X~10X的区间,在这个广泛的焦段中,都能通过镜头的光学能力提供影像信息(图7)。
但是,如果按照华为P30 Pro那般将主摄的27mm焦距定义为1X,OPPO Reno长焦镜头的光学变焦倍数就应该是等效6X(160mm÷27=5.9)。因此,OPPO才会将10X拍照模式称为“混合光学变焦”,而不是直接标成“10X光学变焦”。
来自变焦算法的差异
潜望式镜头最早出现在卡片相机领域,但它很快就被淘汰,原因是受限于镜头模块体积,效果很难媲美传统伸缩式镜头。那么,潜望式镜头会不会拖累智能手机的成像?
答案自然是否定的。首先,无论华为P30 Pro还是OPPO Reno,它们的潜望式镜头只负责变焦模式,日常拍照的成像还是依靠更高品质的主摄像头。其次,在新一代SoC强大的处理能力,以及有着AI加持的场景识别和多帧堆栈等技术的帮助下,这两款手机在10X以内变焦的过程中并非仅靠(镜头)硬件完成,而是一整套软硬件的联合算法(图8)。
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简单来说,华为P30 Pro和OPPO Reno都提供了两种变焦方式,其一是直接使用拇指在取景范围内进行缩放,其二是点击取景界面内的“1X”图标,P30 Pro可以在1X、5X、10X和广角模式之间一键切换,然后通过双指捏合屏幕进入最高50X的变焦模式;OPPO Reno可以在1X、2X、6X、10X和广角模式间一键切换,然后可以捏合屏幕进入最高20X的变焦模式.
在算法方面,华为P30 Pro在相机APP中引入了名为“视场融合”的系统,其最大特色是将光学变焦和由算法驱动的数码变焦相结合,可根据放大倍数启动和切换不同的摄像头组合。
据悉,华为P30 Pro在3X以内的变焦全部都是由主摄像头负责,属于“数码变焦”的过程,只是此时主摄可以通过超分辨率算法确保成像质量,实现“无损变焦”的效果;在进入3X拍照模式后,主摄和潜望式长焦镜头同时运行,属于“混合变焦”的过程,此时系统会合并这两颗镜头记录的图像数据,比如画面中心的最佳细节图像数据就来自长焦镜头;进入5X拍照模式后,主摄自动关闭,由潜望式长焦镜头独自完成此时的拍摄任务(图9),属于光学变焦;而P30 Pro主打的10X混合变焦,则是由3颗摄像头共同参与成像;至于从10X到50X之间就完全属于由长焦镜头独自进行的数码变焦了,没有三脚架支撑,很难拍摄出稳定的画面。
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OPPO Reno在相机APP引入了“接棒式”的系统,让三颗摄像头像三名田径队员一样完成这场接力长跑(图10)。在1X和2X模式下由主摄负责(无损变焦);6X拍照模式由潜望式长焦镜头独自完成,属于光学变焦;10X变焦状态是主摄和长焦镜头共同作用,属于混合变焦;10X到20X之间的拍照也是通过长焦镜头进行的数码变焦。
手机镜头如何实现更远变焦

和以往的手机相比,潜望式结构让镜头获得了更大的焦段,P30 Pro和Reno在125mm和160mm以下的焦段都是有镜头的光学能力打底,可以确保无损效果。这两款手机分别武装了IMX650(首创RYYB红黄黄蓝传感器)和IMX586传感器,都有着超大像素以及“大底”(传感器尺寸)的先天优势(图11),可以在混合变焦时提供足够多的画面细节信息用于裁剪和插帧,从而让它们的10X变焦不再是噱头,而是真正可以看清画面细节的拍照模式!
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小结
虽然武装潜望式长焦镜头的P30 Pro和Reno比较昂贵,但它们却给智能手机影像的未来提供了一个极具前景的发展方向。虽然基于混合变焦的10X模式还无法和专业单反和长焦相机相比,但对普通用户而言却是一件值得庆幸的事情——用更小巧、更便宜(相对专业DC)的手机,就能享受单反相机“套装”70%的变焦乐趣(图12),这就足够了。

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