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華為P40 Pro 的十倍光變是怎樣實現的?

來源:新浪科技 發布時間:2020-04-07 點擊量:

從過去的數字變焦、混合變焦,再到今天的光學變焦,手機的遠攝能力正如它們的性能一樣在不停變化。
在過去,我們的手機只能記錄下眼前的東西,如今隨著兩倍、五倍、十倍、五十倍、一百倍變焦倍率的出現,手機的遠攝能力正如單反相機換上了長焦攝像頭,就連數百米外的景物也能納入取景框內。
當然,為了能讓相機拍得更遠,手機的傳感器性能、攝像頭數量、變焦能力、算法也在不斷進步,尤其是變焦技術,自手機具備變焦功能開始,變焦技術就已經發生過三次變革。
與此同時,變焦技術的升級也在不斷影響著手機的形態。
數字、混合、光學變焦,它們都是什么東西?
光學變焦指的是攝像頭內的光學結構鏡片組,通過改變鏡片的相對位置從而確定攝像頭焦距長度。
隨著光學變焦的倍數增大,其焦距越長,攝像頭畫面就能拍攝到更遠處的景物,而且其畫質依舊保持無損,屏幕上呈現出的就是傳感器 100% 接收到的實像畫面。
這一技術更多地被應用到傳統的相機設備上,通過光學結構的方式來實現焦距的變化,則需要為鏡片組留下足夠長度的移動空間。
但高集成的智能手機,受限于體積和內部空間排布,要想在手機內放入一個碩大無比的光學變焦攝像頭模組,是一件無比困難的事情。
「芬蘭巨人」諾基亞曾經將光學結構引入到手機當中,試圖引領移動攝影的高質量潮流,讓手機也能獲得如傳統相機那樣的拍照能力,但最終效果卻不盡人意。備受消費者詬病的,還是因為碩大的光學結構模組并不美觀,更重要的是這與手機越做越纖薄的道路相違背。
曾擔任諾基亞成像技術部門主管 Juha Alakarhu 在接受采訪時也表示:
「在 N93 之后,我們也曾打算將光學變焦功能放入 Nokia 808 Pureview 當中,經過長時間的努力研制出的光學變焦模組在圖紙上看起來很美麗,但實際的制造工差卻會眼中降低實際使用時的性能。」
相較于光學攝像頭的物理結構,數字變焦則存在于軟件算法層面,實現起來更加簡單,因而被廣泛應用到手機上。
數字變焦是在相機傳感器所拍攝到的全像素畫面基礎上,將局部區域的像素點面積增大,從而實現對該區域的圖像顯示進行電子放大到整個畫面。
這個過程就像是我們拍攝了一張圖片之后,進入到相冊查看這張圖片,然后雙指縮放將局部位置放大,緊接著按下截圖按鈕生成放大后的圖像。
由于數字變焦只是將單個像素在屏幕上顯示的面積增大,畫面清晰度會隨之直線下降。所以,數字變焦的成像效果和真正的光學變焦效果并不可同日而語。
在模組體積和成像素質之間要尋找一個絕佳的平衡點,這也就催生了「混合光學變焦」技術的出現。
如今,智能手機往往會采用多個不同等效焦距的攝像頭,例如超廣角、廣角、長焦攝像頭的組合,來實現由廣角到長焦的覆蓋。
至于混合光學變焦中「混合」的含義,則是選擇用機內算法將手機光學變焦和數字變焦技術糅合起來,在多枚不同等效焦距攝像頭之間,通過「接力」的方式來實現全焦段的覆蓋。
若將這一套手機混合光學變焦模組類比到單反相機上的話,則相當于是將多枚定焦攝像頭放到了手機之中。但在其進行變焦的過程中,相機的混合變焦算法會介入,促使整個變焦過程保持順滑流暢。
廣角端范圍的拍攝一直都是智能手機的長項,反而焦距更長的廣角攝像頭意味著要占據手機內部更多的空間,這一技術難點一直都讓手機廠商們感到頭疼不已。
對此,「潛望式攝像頭」的出現,讓手機的多倍光變有了新的可能。
華為 P40 Pro+ 的十倍光變是怎樣實現的?
在前文中,我們提到了三種變焦方式的區別,成像畫質最好的莫過于是結構最復雜、占據面積最大的光學變焦。盡管這種變焦方式會給相機模組增加一定的厚度,但換來的高畫質遠攝也是其余兩種變焦模式不可比的質量。
所以,當前使用光學變焦的手機廠商所面臨的問題,是在使用光學變焦的基礎上最大限度地削減、平衡相機模組的厚度,在有限的內部空間里,提升手機遠距離拍攝的畫面質量。
因此,最省內部空間的「潛望式結構」便成了當下最為常見的手機光變方案。通過潛望鏡光線折疊的原理,手機能夠在有限的厚度內,拍出比數字、混合變焦更清晰的遠攝畫面。
去年華為 P30 Pro 就是去年率先用這種結構實現五倍光變的手機。而在今年的 P40 Pro+ 上,手機的光變能力達到了十倍。用最簡單的語言來說,平日我們最常用的焦段基本都能實現無損記錄。
雖然 P40 Pro+ 十倍光變大體都是用潛望式方案,但華為也是在這套方案的基礎上升級才會做到這個高倍率變焦。
宏觀來看,這次 P40 Pro+ 的潛望式模組采用的是「多反射潛望式光路折疊技術」,通過 5 次光路反射的原理延伸傳感器的拍攝焦距,最終使得光路的光程在沒有太大增加模組厚度的前提下,比上一代的潛望式方案提升 178%。
如果我們嘗試將潛望式攝像頭所折疊的光路展開,模組高度可能已經超出手機本身可容納相機的厚度,前面的諾基亞 808 就是在非潛望式方案下采用光學鏡頭的例子。
但是要讓手機拍得更遠,光有潛望式結構還不夠,光路需要進行多次折疊,這就需要更好的反射鏡面來對應每次光路的反射,否則每次反射的光線也會因為鏡組精度不足而造成損耗。
有一個華為沒有在發布會上公開的細節是,在設計 P40 Pro+ 的相機模組時,他們原先是想借鑒手機芯片的組裝工藝技術。
但在最后比較時發現,芯片組裝的變形控制并不能達到相機團隊的要求,因為相機團隊給出的工藝要求是「頭發絲的兩千分之一」。
所以,要將光線以最高質量的程度從攝像頭外傳入傳感器,這便需要納米級的高精度反射面才能最大程度減少光路在反射時出現的畸變。
雖然目前暫時還沒有公開文件介紹華為最后是怎樣做到這種組裝工藝,但根據官網給出的數據,這些反射面的最高精度大約是 30 納米(1 微米=1000 納米)。
那么在解決了拍照倍率后,攝像頭怎樣實現對焦的?
其實潛望式攝像頭的對焦方式和其他攝像頭對焦原理大同小異,都是通過馬達調整攝像頭和 CMOS 距離來完成遠近景物的對焦。
但難點在于潛望式攝像頭的結構比普通攝像頭更加復雜,光線在內部需要經過多次反射,這就需要重新設計對焦馬達的位置。
首先一點,是別讓馬達擋到鏡組的反射光路。
為此,華為相機團隊在設計對焦馬達時也下了一些功夫。
比如這次鏡組的重量主要集中于前端,因此該攝像頭所用的對焦馬達所用的是全新設計的滑槽式承載,它是通過磁力和杠桿結構來平衡前端鏡組的負載,并通過特殊的潤滑材料,實現出高速的對焦效果。
根據華為的公開資料顯示,這枚滑槽式馬達通過了官方實驗室數百萬次的使用和極端環境測試,在測試后依然能正常工作。據悉,目前華為已經為該馬達設計申請了技術專利。
通過以上對功能的解讀,筆者發現想要理解潛望式攝像頭的工作原理,實際上并不算難,這門技術本質上是通過改變鏡片的數量、鏡組的排列方式,以此實現出更遠的變焦距離。
但要是將這個要求下放到廠商的相機團隊手上,實際所需要攻克的困難遠比想象中要多,單從上面介紹的內容看,其實就已經涉及到了鏡組設計、材料、組裝工藝、馬達設計幾個大方面,而這些我們也只能通過文字來進行輕描淡寫,他們真正面臨的各種難題,或許是我們所了解的數倍之多。
不單只有看像素,遠攝也要看變焦方式
相比起一味地追求超高像素攝像頭,而后直接使用數字裁剪來實現的變焦成像,高倍率的無損光學長焦攝像頭,才是獲得遠攝高清畫質的基礎和重點。
這也就意味著,當你在尋找一個能拍遠攝的手機時,不要簡單地去關注手機廠商宣傳的是幾倍變焦,而是要更多地考慮光學變焦的倍數。
甚至在有條件的情況下,直接去查看手機攝像頭真正覆蓋的等效焦距,這才是一個可以被標準量化的數據指標。
在華為 P30 Pro 發布的時候,華為就表示高倍數光學長焦攝像頭,是手機上實現變焦的最佳方法。為了進一步在長焦遠攝上進行畫質突破,華為 P40 Pro+ 在上一代 P30 Pro 的 5 倍光學變焦潛望式攝像頭模組和感光器件的基礎上,將光學變焦倍率提升至 10 倍光學變焦,得益于此,P40 Pro+ 的雙目變焦也到達了 100 倍的水平。
雖然受限于手機內部體積,相機傳感器的能力暫時還未能達到超越專業單反相機的水準,但隨著手機廠商在不斷尋求技術突破,手機拍照的像素、對焦、變焦、功能都一直在拔高向專業相機靠攏。
手機廠商「一機走天下」的愿望最終會在這些突破下實現,但它并不是想取代專業相機,而是希望我們每次從衣兜里拿出手機,就能將眼前美景以最接近人眼的方式保存下來,甚至記錄下在我們視線之外的畫面。

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