潜望式摄像头怎么玩？光学变焦仍是主流方案

潜望式摄像头怎么玩？光学变焦仍是主流方案

　　虽然高倍光学变焦无法通过传统的摄像头实现，但是近两到三年各大智能手机终端品牌已经开始在各自的旗舰机型中对低倍“光学变焦”做起了文章。我们尝试分析判断未来中短期以及长期智能手机光学变焦的发展路径。

　　2.1 智能手机的“光学变焦”是怎么实现的?

　　双/多定焦镜头实现智能手机光学变焦仍是主流方案：目前，智能手机摄像头的变焦并不是真正意义上的光学变焦，仍然是以两颗或者多颗定焦镜头配合实现与光学变焦类似的拍摄效果。以iPhone X和华为Mate20 Pro为例，iPhone X双摄像头中两颗镜头的焦距分别为28、52mm，iPhone X具备2倍“光学变焦”以及10倍数码变焦;华为Mate20 Pro三摄像头中三颗镜头的焦距分别为16(超广角)、27(广角)、80(长焦)mm，Mate20 Pro备3倍“光学变焦”、5倍混合变焦以及10倍数码变焦。

　　双摄“光学变焦”的原理：在工作的时候，两个摄像头同时拍摄出一张远景和一张近景照片，通过后端算法合成一张照片，支持实时的光学变焦，且保证图像质量一致。所以，双摄“光学变焦”本质上还是依靠后台算法，并不是摄像头焦距发生了变化，但是成像质量达到光学变焦的效果。我们以2018年下半年发布的两款旗舰机iPhone XsMax和华为Mate20 Pro为例来解释双摄“光学变焦”的工作原理。

　　iPhone Xs Max双摄“光学变焦”的原理：iPhone Xs Max具备2倍“光学变焦”和10倍数码变焦。我们通过各类拍照模式测试研究了iPhoneXs Max的“光学变焦”原理。1)当使用1200万/28 mm焦距主摄像头拍摄时，产生无损照片;2)当画面从1×至2×之间时，利用主摄像头的数码变焦实现变焦;3)当画面达到2×时，利用1200万/52 mm长焦摄像头拍摄，产生2×无损照片;4)当画面从2×至10×时，分为两个情况：①光线条件好时，智能手机利用长焦摄像头和主摄像头共同配合实现数码变焦。②光线条件不好时，智能手机独用主摄像头(此时并不开启长焦摄像头)实现2×至10×的数码变焦。因此，iPhone Xs Max的2倍“光学变焦”实质上是2倍光学定焦+10倍数码变焦。

　　iPhone X值得夸赞的地方：1)强大的图像处理器ISP，苹果在何时切换摄像头时主要就是依靠ISP，ISP会判断那颗摄像头的拍摄效果更佳，进而选择合适的摄像头进行工作;2)强大的后期算法，虽然1×至2×依靠的是数码变焦，但是苹果还是依靠算法做到了和光学变焦相媲美。

　　华为Mate20 Pro是怎么实现3×光学变焦的?华为Mate20 Pro后置“浴霸式”三颗摄像头官方宣称具备3×光学变焦，5×混合变焦(三个摄像头通过不同组合实现各种环境下出色的5×变焦效果)和10×数字变焦。

　　我们可以看到，华为宣称Mate20 Pro具备3×光学变焦(80/27=2.96≈3)，而不是5×光学变焦(80/16=5)，因此可以推测Mate20Pro在变焦过程中超广角镜头参与度不会很高。进一步研究了Mate20 Pro具体的“光学变焦”原理：1)当画面0.6×至1×时，使用2000万超广角实现数字变焦;2)当画面在1×时，使用4000万广角主摄像头拍摄，产生无损照片;3)当画面在1×至3×时，使用主摄像头的数码变焦实现变焦;4)当画面达到3×时，利用主摄像头和长焦摄像头，产生3×无损照片;5)当画面在3×至5×时，采用主摄像头和长焦摄像头配合的数码变焦实现工作;6)当画面在5×时，使用800万长焦摄像头单独工作拍摄无损照片;7)当画面在5×至10×时，仍然单独使用800万长焦摄像头实现数码变焦。

　　华为Mate20 Pro在“光学变焦”上相对于iPhone Xs Max的优势：Mate20 Pro的长焦镜头焦距更长，达到了80 mm，为更高倍数的“光学变焦”提供硬件支持。

　　总结来看，无论是华为Mate20 Pro还是iPhone Xs Max，官方宣称的“光学变焦”其实都是基于两个不同焦距的定焦摄像头，通过两个摄像头的光学定焦与数码变焦的混合来实现“光学变焦”，本质上有点偷换概念。但是，从目前这个时间点来看，这个方案是目前实现手机摄像头变焦较为实际、较为划算的一个方案，Mate20 Pro确实也是在低倍变焦领域对部分入门级相机发起了挑战。

　　三摄不是低倍“光学变焦”的刚需：通过研究双摄的iPhoneXs Max和三摄的华为Mate20 Pro，我们可以得出一个结论，即对于低倍“光学变焦”，三摄还是双摄并不是最重要的。无论是iPhone Xs Max还是Mate20 Pro，在“光学变焦”时用到的摄像头数量最多只有两个。Mate20 Pro多出的一个超广角镜头只是在低倍变焦上提供了更大的变焦范围，其最重要的作用还是提供120°的拍摄视角。未来，中低端机型的低倍“光学变焦”很有可能通过双摄来实现。

　　长焦镜头才是双/多摄“光学变焦”的核心难点：对于智能手机来说，短焦是相对容易的，因为镜头厚度较薄，技术相对成熟;但是长焦镜头由于结构设计和装配复杂，另外镜头与感光芯片相对距离的范围较广，因此长焦镜头厚度厚，容易产生类似于iPhone手机背后摄像头突起的情况。

　　2.2 潜望式摄像头是智能手机高倍“光学变焦”必经之路

　　为什么潜望式是实现光学变焦的必经之路?上文提到现在智能手机“光学变焦”主要还是依靠2-3个定焦镜头的配合，其中最为重要的长焦镜头。变焦倍数越高，长焦摄像头的高度越高，智能手机的厚度不足以支持高倍长焦摄像头的高度，而潜望式摄像头是解决这个问题最为直接有效的方法。

　　潜望式摄像头与常规摄像头模组元件组成差异不多，结构区别较为明显：以OPPO在2017年MWC推出的潜望式摄像头为例，组成上，潜望式摄像头模组与常规摄像头模组差异不多，均含有感光芯片、镜头组、红外滤光片、音圈马达，潜望式摄像头较常规摄像头多一到两个光线转向元件。光线转向单元包括棱镜外壳、棱镜、棱镜座、支承轴套、支承轴、支承卡座。

　　结构上，潜望式摄像头则与常规摄像头模组由比较明显的差异，潜望式镜头镜片与智能手机平面垂直放置，而常规摄像头镜头镜片则是与平面平行放置，因此潜望式摄像头为镜头组提供更长的空间选择。潜望式摄像头在智能手机中结构的差异实现了更高的摄像头模组高度。

　　舜宇光学和华为在潜望式摄像头布局最为积极：近些年未有主流智能手机终端厂商采用潜望式摄像头，虽然OPPO在2017年MWC大会上推出这几年来的首部潜望式摄像头智能手机，但是并没有量产。因此，我们只能尝试通过各个终端厂商以及模组厂在潜望式摄像头专利上的布局，推测未来潜望式摄像头可能采用的组成以及结构。

　　根据SOOIP的专利检索数据(与国家知识产权局的数据较为相符)，舜宇光学、华为、信利光电、亚洲光学(台湾)、水晶光电、欧菲科技已公开的有权或在审潜望式专利分别为9、6、5、4、3、2件，舜宇光学在潜望式摄像头尤其是模组领域具有领先的专利布局。需要注意的是，这些专利只是公开专利的情况，企业或早已开始相关技术的研发但是未形成专利。

　　从潜望式摄像头专利的申请时间来看，2016和2017年是潜望式摄像头的两个申请大年，这两年共申请了47件专利。

　　各家的潜望式摄像头模组组成上大同小异：从各个公司的专利布局来看，各个公司的潜望式摄像头模组零部件组成大同小异，均包括滤光片、镜头组、音圈马达、反射棱镜组(光转向机构，使用数量1-2个)以及感光芯片，各家公司的潜望式摄像头差异在结构的设计上。

　　从已经公开的专利来看，舜宇光学科技、信利光电在潜望式双摄模组有专利布局，而亚洲光学，华为以及欧菲科技则是在潜望式镜头有专利布局，其中亚洲光学则是推出了具备镜片移动能力的潜望式镜头。

　　2.3 定焦潜望式摄像头实现“光学变焦”仍是未来的主流方案

　　虽然从定义上，双/多定焦摄像头实现“光学变焦”本质上并不是光学变焦，但是从结果上达到了输出与光学变焦相同素质的效果。而局限于手机的特征，我们认为，未来中短期内智能手机光学变焦仍将在双/多摄“光学变焦”上做创新，其中至少有一个摄像头是潜望式摄像头，中短期内推出真正的光学变焦智能手机难度较大。

　　手机光学镜头为何难以实现真正的光学变焦?变焦镜头通常是以牺牲光圈来实现的，因为光圈F=焦距/光圈直径，镜头焦距越长，光圈值越大，光圈越小。光圈越小，进光量越少，对景象的信息就越少，因此成像质量就会显著下降。而手机摄像头的进光量本就远少于单反相机，一旦采用真正的光学变焦镜头，整个成像素质将会“惨不忍睹”，所以中短期内手机摄像头难以实现真正的光学变焦。

　　“广角+超广角或标准焦距+TOF镜头+多个定焦长焦镜头(其中至少一个是潜望式镜头)”将会成为趋势：华为Mate20 Pro采用“广角+超广角+长焦”三摄方案，可以看到在3×以下Mate20 Pro可以输出无损照片，但是3×至10×时通过单个或两个摄像头配合仅能实现数码变焦。为了输出更高倍数的无损照片，未来势必会加入焦距更长的长焦镜头，此时就需要采用潜望式镜头方案。因此，我们预测，未来智能手机会采用多个定焦的长焦镜头来实现高倍定焦，再通过算法实现与光学变焦素质相等的变焦;为了实现更高倍数的“光学变焦”，手机摄像头数量会越来越多，三/四摄将会成为标配!

　　长期来看，智能手机采用真正的光学变焦镜头难度很大!目前，具备真正潜望式光学变焦摄像头的智能手机仅有华硕在2015年底推出的Zenfone Zoom，这类摄像头存在许多不可接受的问题。1)需要解决长焦镜头光圈小的问题，类似单反的恒定光圈变焦镜头，但是整个镜头的结构会更加复杂，成本会显著提升，华硕Zenfone最终只能使用F/2.7-F/4.8的光圈，在拍摄夜景时劣势会非常大;2)光学变焦由于需要涉及镜片移动来调整焦距，因此会导致对焦时间提升，能耗增加，对电池的要求会更高;3)变焦镜头的抗摔性能远不如定焦镜头，假设智能手机采用光学变焦镜头，那未来对摄像头镜头以及模组的稳定性要求将会大大提升，毕竟摔手机是常有的事。

　　总结来看，在智能手机领域，多个定焦镜头(包含至少一个潜望式镜头)实现“光学变焦”仍将是中短期的主流，长期是否会采用真光学变焦镜头或其他新技术，如DynaOptics变焦、MEMS变焦仍需观察。

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