华为P40专业版的10倍光学转换是如何实现的

原标题:华为P40专业的10倍光学转换是如何实现的？

从数字变焦、过去的混合变焦到今天的光学变焦，手机的远摄能力就像它们的性能一样在不断变化。

过去，我们的手机只能记录我们面前的东西。现在随着两倍、五倍、十倍、五十倍和一百倍变焦放大倍数的出现，手机的远摄功能就像用远摄相机取代单反相机一样，甚至几百米以外的场景也可以包含在取景框中。

当然，为了使摄像头拍摄得更远，手机的传感器性能、摄像头数量、变焦能力和算法也在不断提高，尤其是变焦技术，自从手机具备变焦功能以来，已经发生了三次变化。

与此同时，变焦技术的升级也影响着手机的形式。

数字、混合、光学变焦，它们都是什么东西？

光学变焦是指相机中具有光学结构的镜头组，通过改变镜头的相对位置来确定相机的焦距。

随着光学变焦倍数的增加，焦距越长，摄像机就能捕捉到越远的场景，图像质量保持不变。屏幕上显示的是传感器100%接收到的真实图像。

这项技术更适用于传统的摄像设备。为了通过光学结构实现焦距的变化，需要为透镜组留出足够的移动空间。

然而，由于体积和内部空间布置的限制，将巨大的光学变焦相机模块放入高度集成的智能手机中是极其困难的。

▲诺基亚808纯色视图。照片来自:DPReview

“芬兰巨人”诺基亚曾将光学结构引入手机，试图引领移动摄影的高品质趋势，使手机也能像传统相机一样获得摄影能力，但最终效果并不令人满意。消费者批评的是，大型光学结构模块并不美观，更重要的是，它与手机日益单薄的道路背道而驰。

诺基亚成像技术前负责人朱哈·阿拉卡胡(Juha Alakarhu)也在一次采访中表示:

“N93之后，我们还计划将光学变焦功能引入诺基亚808 Pureview。经过长时间的努力开发的光学变焦模块在图纸上看起来很漂亮，但实际的制造工作会明显降低实际使用中的性能。ゥ

▲ Juha Alakarhu。图像来自:视窗中央

与光学相机的物理结构相比，数字变焦存在于软件算法层面，实现简单，因此在手机中得到广泛应用。

数字变焦是在由照相机传感器捕获的全像素图像的基础上放大局部区域的像素区域，从而实现该区域的图像显示到整个图像的电子放大。

这个过程就像我们拍一张照片，进入相册查看照片，然后用双指缩放放大本地位置，然后按截图按钮生成一个放大的图像。

由于数字变焦仅增加屏幕上显示的单个像素的面积，因此图像清晰度将线性下降。因此，数字变焦的成像效果不同于真实的光学变焦效果。

需要在模块体积和成像质量之间找到完美的平衡，这导致了“混合光学变焦”技术的出现。

如今，智能手机经常使用多个具有不同等效焦距的相机，例如超广角、广角和远摄相机的组合，以实现从广角到远摄的覆盖。

▲混合变焦的工作原理

对于混合光学变焦中“混合”的含义，是选择一种机内算法，将手机光学变焦和数字变焦技术相结合，通过“中继”的方式，实现不同等效焦距的多个相机之间的全焦距覆盖。

▲在手机厂商的优化下，混合变焦的过程几乎没有粘手的感觉。

如果将这套手机混合光学变焦模块与单反相机相比较，就相当于将几个固定焦距的相机放入手机中。然而，在变焦过程中，相机的混合变焦算法将会介入，以保持整个变焦过程平滑。

对于智能手机来说，广角拍摄一直是一项长期任务。相反，更长焦距的广角相机意味着占据手机内部更多的空间。这个技术难题一直是手机制造商头疼的问题。

作为回应，“隐藏摄像头”的出现使得手机的亮度倍增成为可能。

华为 P40 Pro+ 的十倍光变是怎样实现的？

在前一段中，我们提到了三种缩放模式之间的差异。最佳图像质量是结构最复杂、占用面积最大的光学变焦。尽管这种变焦模式会给相机模块增加一定的厚度，但由此产生的高质量远距摄影也具有其他两种变焦模式无法比拟的质量。

因此，目前使用光学变焦的手机制造商所面临的问题是在使用光学变焦的基础上最大程度地减小和平衡相机模块的厚度，从而在有限的内部空间中提高手机远程拍摄的画面质量。

▲拆卸华为P30专业伸缩结构组件(从视频第6分钟开始)。图片来源:杰瑞·瑞吉一切“望远镜”都是镜头和CMOS的安装形式，实际上是一种光学变焦方案。

因此，节省大部分内部空间的“隐藏结构”已经成为手机最常见的光转换方案。通过潜望镜的折叠原理，手机可以在有限的厚度内拍摄比数码变焦和混合变焦更清晰的远摄图像。

▲华为P40专业版

去年，华为P30专业是第一个使用这种结构实现五倍光转换的手机。然而，在今年的P40专业版上，手机的光转换能力已经达到了10倍。用最简单的语言来说，我们基本上可以实现工作日最常用的焦点片段的无损记录。

尽管P40 Pro 10x光学变焦大多基于远距拍摄方案，但华为也在此方案的基础上进行了升级，以实现这种高倍率变焦。

▲华为正式发布的P40专业长焦镜头示意图

宏观上，P40 Pro的望远模块采用“多反射望远光路折叠技术”，通过五路光路反射的原理，延长了传感器的拍摄焦距，最终在不增加模块厚度太多的前提下，光路的光路比上一代望远方案增加了178%。

如果我们试图打开被远摄相机折叠的光路，模块的高度可能已经超过了手机本身容纳相机的厚度。前面的诺基亚808是非长焦模式下使用光学镜头的一个例子。

然而，为了使手机拍摄更远，光承诺结构是不够的，光路需要多次折叠，这需要更好的反射镜面来对应每个光路的反射，否则反射光也会由于镜组的精度不够而损失。

华为在会上没有透露的一个细节是，在设计P40专业相机模块时，他们原本想学习手机芯片的组装技术。

然而，在最后的比较中，发现芯片组件的变形控制不能满足摄像团队的要求，因为摄像团队给出了“1/2000发丝”的技术要求。

因此，为了以最高质量将光从相机外部传输到传感器，需要纳米级的高精度反射表面来最小化反射期间的光路失真。

尽管目前没有公开文件描述华为最终是如何完成这一组装过程的，但根据官方网站提供的数据，这些反射面的最高精度约为30纳米(1微米=1000纳米)。

▲华为P40，华为P40专业版

那么，在解决了拍摄放大倍数后，相机如何聚焦呢？

事实上，长焦相机的调焦方法与其他相机的调焦原理相似，通过电机调节相机与CMOS之间的距离来完成远近场景的调焦。

然而，困难在于，远摄相机的结构比普通相机更复杂，并且光需要在内部反射多次，这需要重新设计聚焦电机的位置。

首先，不要让电机阻挡反射镜组的反射光路。

为此，华为的摄像团队也在设计调焦电机方面做了一些努力。

例如，这次镜头组的重量主要集中在前端，所以相机使用的调焦电机采用新设计的滑槽式轴承，通过磁力和杠杆结构平衡前端镜头组的负载，通过特殊的润滑材料达到高速调焦的效果。

▲在摄像机传感器聚焦过程中，需要电机控制镜头完成聚焦。

根据华为的公开信息，滑槽电机已经在官方实验室通过了数百万次使用和极端环境测试，测试后仍能正常工作。据悉，华为已经申请了电机设计的技术专利。

通过以上对功能的解释，笔者发现不难理解长焦相机的工作原理。该技术本质上改变了透镜的数量和透镜组的排列，以获得更远的变焦距离。

然而，如果将这一要求传递给制造商的相机团队，需要克服的实际困难远远超出想象。单从以上内容来看，它实际上涉及到透镜组设计、材料、装配工艺和电机设计等几个主要方面，我们只能用语言来淡化。他们真正面临的各种困难可能是我们所知的数倍。

不单只有看像素，远摄也要看变焦方式

与仅追求超高像素相机然后直接使用数字剪辑的变焦成像相比，高倍率无损光学长焦相机是获得高清晰度长焦图像质量的基础和焦点。

这也意味着，当你在寻找一款可以拍长焦的手机时，不要简单地关注手机制造商宣传的多倍变焦，而是更多地考虑光学变焦。

即使条件允许，我们也可以直接检查手机摄像头覆盖的等效焦距，这是一个可以用标准量化的数据指标。

华为P30专业版发布时，华为表示，大功率光学长焦相机是放大手机的最佳方式。为了进一步突破长焦拍摄的图像质量，华为P40专业在前代P30专业的5倍光学变焦长焦相机模块和光敏器件的基础上，将光学变焦倍率提高到10倍。由于这一点，P40专业的双目变焦也达到了100倍的水平。

尽管受到手机内部体积的限制，相机传感器的能力暂时还没有达到专业单反相机的水平，随着手机制造商不断寻求技术突破，手机摄影的像素、对焦、变焦和功能已经升级到专业相机。

在这些突破下，手机制造商“用一台机器带走世界”的愿望最终会实现。然而，它并不打算取代专业相机。相反，人们希望每次我们从口袋里拿出手机时，我们能以最靠近眼睛的方式保存眼前的美丽景色，甚至把照片记录在我们看不见的地方。

注:图片为华为P40专业版。

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