小小镜片却能拍出“大片”效果,盘点手机镜头技术进化史中那些淘汰者和优胜者

微观人 2022-08-18

长焦镜头长焦相机数码

4612 字丨阅读本文需 11 分钟

现在手机想拍远处景物,潜望镜头就是必备,但 2022 年都过一大半了,用潜望镜头的手机,一只手就能数过来。

两年前可不是这样的,一大批手机厂商排着队,都要用潜望镜头,就连小米 10 青春版这类 2000 元价位段的手机,都用上了潜望超长焦。

搭载了潜望镜头的手机,用起来就跟望远镜似的,远处的高楼一下子就被拉近了,感觉还是挺爽的。而当时市场也是一片欣欣向荣的景象,2020 年潜望镜头的总出货量突破 3500 万颗,某个研究院还给出了非常乐观的预测,认为到 2024 年,它的出货量会突破 1 亿颗,极度看好它的前景。

但到 2022 年的今天,别说 1 亿颗潜望镜头了,智能手机自己本身的出货量都大幅下滑,旗舰机都要勒紧了裤带过日子,潜望没几个手机用,凑数镜头倒是越来越吃香。

主流的大部分旗舰虽然千辛万苦保下了潜望,但次旗舰和高端市场中已经很难找到搭载潜望镜头的手机了。从厂商一股脑儿都在用,到通通砍掉,潜望镜头到底都经历了啥呢?

认识潜望镜头

潜望式镜头最大的特点就是其镜头模组是在相机内部,开启后,镜头不会突出。

一般的镜头镜片组,都是竖向排列的,比如我们经常看到的单反或者微单的镜头,都是向望远镜那种伸出机身的镜头。而潜望式镜头的镜片组是横向排列的,然后再通过独特的三棱镜让光线可以进入镜头。横向排列的好处就在于非常节省空间,镜头不突出了。而得益于镜头不突出的特点,相机的封闭性更好,所以很多潜望式镜头的相机都具备防水功能。

华为是第一家量产具有潜望镜头手机的厂家,而潜望手机镜头最早一次亮相,则是在2017年的世界移动大会MWC上,由OPPO首次展示了基于潜望式摄像头结构。也就是说潜望镜头应用到手机上,是近两年的新技术,但早在十几年前,潜望镜头就已经在卡片机或者傻瓜机上广泛使用了。比如2011年上市的索尼 TX55就采用了潜望式镜头。

那么潜望镜头到底是如何让镜头可以在机身内横向排列的呢?最主要的设计来源于一款三棱镜。正是由于箭头所指的这款三棱镜,可以让进入镜头的光线改变方向,从而通过横向排列的镜片组并最终照射在传感器上得以成像。

而关于三棱镜改变光线方向的应用,想必各位一定想起了单反相机中的光学取景器同样使用了一块三棱镜,作用也是改变光线的方向。

潜望镜头其实也分变焦与定焦,比如上文提到的索尼 TX55可以实现5x的光学变焦,而现在大家所熟知的P30 Pro和Reno则都是5x无损变焦,均没有宣传自己是光学变焦,就在于目前手机中所用的潜望镜头均为定焦镜头,而变焦效果则是通过和其它镜头结合,并利用算法实现的接近于无损的效果。如果真的做到光学变焦想必对机身厚度和手机成本都有较大的考验。

这么好的镜头为何被淘汰?

作为一项能够大幅提升拍照体验的技术,潜望式长焦镜头自2019年在华为P30 Pro和OPPO Reno 10倍变焦版上开始搭载后,便受到了众多手机厂家的青睐,包括小米、三星、荣耀、vivo等一众国内外厂商都纷纷推出了搭载潜望式长焦镜头的手机,而该镜头甚至一度成为旗舰级手机的必备镜头,例如三星S21 Ultra、小米11 Ultra、vivo X70 Pro+等顶级旗舰手机无一例外都配备了潜望式长焦镜头,

不过在进入2022年以来,已先后有realme真我、iQOO、荣耀和一加四家厂商发布了旗下2022年第一台旗舰机,再加上2021年底发布的小米12系列,2022年刚开始不久便已经出现了5台全新的旗舰手机,而且它们无一例外都搭载了全新一代骁龙8移动平台,可以说是堆料十足。不过它们却仿佛像商量好了一般,都取消了此前受到好评的潜望式长焦镜头,大部分改为了普通的长焦镜头,而小米12 Pro甚至连长焦镜头都一并取消了,取而代之的是一枚5000万像素的人像镜头,既然潜望式长焦镜头如此受欢迎,为啥厂商还是决定不再使用呢?

首先从硬件方面看,潜望式镜头相比普通长焦镜头有着更加复杂的结构以及更加昂贵的成本。此前,中兴通讯的吕钱浩曾发文表示,当前新发布的骁龙8机型普遍未搭载潜望式镜头,主要是因为长焦镜头成本很高,尤其是潜望摄像头加上光学防抖,成本甚至要高于很多号称大底的主摄。

而除了硬件成本外,潜望式镜头还有着更加复杂的结构和更大的体积。小米卢伟冰早在去年便发文解释了为何一些手机厂商选择取消潜望镜头,其表示:今天每一个器件都在抢手机有限空间的时候,每一个小空间都非常可贵。毕竟电池、快充、相机等都非常吃空间,大家还要轻保所以潜望镜头的“大"就非常困难。观察上述搭载了潜望式镜头的旗舰机也能发现,它们基本上都有着不轻的重量以及较厚的厚度,这与当前厂商所追求的轻薄手感有所违背。

而在调校方面,潜望式镜头由于支持多倍光学变焦,因此一些平常看起来并不明显的抖动在长焦镜头上也会被放大,所以这也对手机厂商的防抖调教提出了更高的要求。此外,由于光线经过了折射,因此传入镜头的光线量也减少,再加上横向放置也影响到了传感器的尺寸,有限的厚度无法容纳下大底传感器,因此也会影响最终的成片亮度,也需要手机厂商通过算法来进行优化。

最后,潜望镜头带来的高倍变焦还容易引发一些争议。除了能拍摄远处景色外,搭载潜望式长焦镜头的手机还容易被一些不法分子用做窥探他人隐私的“帮凶”,此前曾有网友反映称,有人使用此类手机来偷拍自己,对个人的隐私安全保护造成了不好影响。此外,对于大部分用户来说,大高倍变焦并不是一个经常使用的功能,只会在极少数情况下使用,虽然从厂商的角度来说,潜望镜头的加入可以让手机在拍照方面有着更多的宣传点,但是从需求侧来看,潜望镜头的加入可能对普通用户来说,真的“感知不强”。

手机镜头技术革新

在摄影领域,和相机厂商的安贫乐道相比,这几年手机拍照“内卷”那是相当严重,对于国产手机来说,镜头技术的革新无疑成为了手机影像发展的主旋律。

自由曲面镜头

自由曲面镜头最早是在华为Mate40 Pro+上使用的,但华为对它的宣传并不多,再加上缺货等各种原因,很多人都没能体验到自由曲面镜头效果到底怎么样。而今年,同样在自由曲面镜头上技术投入颇多的OPPO,在旗舰Find X3上,以及自家兄弟的一加9系列上都用到了自由曲面镜头,这才让这一技术被更多人真正体验到。

所谓自由曲面,是镜头中的其中一片镜片的表面为独特的不规则自由结构,而不是常规的非球面设计,它可以将边缘部分没有均匀投射的光线校正,让外界进来的光线垂直打到传感器上,从而解决超广角的畸变问题。一般来说,视场角越大,畸变越明显,但手机摄影对超广角的追求一直是更广的视角、更大的传感器,又想兼具弱光和色彩的性能以及边缘画质。因此,从硬件层面来看,自由曲面镜头无疑是当下最好的解决方案。

不过,使用自由曲面,打破了旋转对称性,加工难度直线上升,不论是生产速度还是良率都会受到极大的影响,尤其是视角越大,难度越大。这也是Mate40 Pro+严重缺货的原因之一。

另外人眼对于4%之内的畸变已不太敏感,目前通过算法矫正畸变已经有了不错的效果。使用自由曲面镜头来纠正光学畸变,所带来的高昂的成本,以及是否值得消费者为这样的提升买单还需要市场来检验。短时间内,硬件+AI算法依然是处理超广角畸变的最有效方法。

液态镜头

液态镜头是小米MIX FOLD首次在手机上量产实现的镜头技术,对比起普通镜头,液态镜头的特别之处,在于最外一层镜片用了一种所谓的液态材料,下方有马达挤压,让液态材料呈透镜,改变镜片的折射率,以实现更近的对焦距离。小米把这项技术放到了长焦端,就能让等效80mm左右的长焦端同时获得3cm的最近对焦距离。

虽然对于相机镜头来说,微距镜头本来就是一枚长焦镜头,二者的功能在机械结构下就可同时达成。但对手机来说,由于构造原因,手机上的长焦镜头很难在近距离的情况下对焦到被摄物体上。

让微距和长焦得以共存,这就是此次小米MIX FOLD液态镜头的最大作用。不过,小米所谓的“三颗镜头实现四摄功能”真的没什么稀奇的,因为早就有厂商将微距融合进超广角当中。所以,让液态镜头终结手机多摄的状态,目前来看还是没戏。

如果说有什么优势的话,理论上长焦端拍摄微距,可以放得更大,实现更好的压缩感和更浅的景深。当然,还是那句话,是否会大力推广,还是要看成本啊。

玻塑混合

手机都卖到上万了,镜头竟然还是塑料的?现实的确是这样,手机的镜头模组要用玻璃镜头是个很复杂的问题。手机镜头第一要素就是小和轻,意味着工艺难度大,而使用研磨玻璃制造小尺寸高精度的复杂曲率非球面玻璃,难度更高。不过对于手机拍照,要想实现进一步跨越,玻塑混合镜头被认为是现阶段理想过渡方案。

红米Redmi K40游戏增强版便号称采用了1G+5P的玻塑混合镜头,可以带来更高的透光率,还有抗眩光和鬼影抑制效果更优,边缘画质更好等优势。

按照我们之前的推测,新一轮的顶级手机影像大战,玻璃镜头或是引爆点,不过从小米将玻塑混合镜头方案用在红米Redmi K40这款中端机上,可以看得出,目前玻塑混合方案工艺还没有完全成熟,效果也有待提高。

毕竟诺基亚1020镜头就已经是1G+5P的玻塑混合了,现在旗舰机至少是7P镜片,小米10至尊纪念版达到了8P,vivo X60 Pro+还用上了T*镀膜,如何让玻塑混合镜头实现更多镜片结构和更好的镀膜工艺,或许就是下一步需要攻克的工艺难题了。

可以发现,在传感器尺寸几乎已经到头,AI算法也在稳定推进的情况下,镜头技术的革新升级成为了手机影像新的竞争重点。但要攻克工艺难关,真正让镜头素质和拍摄效果实现跨越式的提升,还需要行业上下游产业链的共同努力。

从硬件到软件再到算法,芯片将成第二战场

纵览整个手机影像技术的发展历史,不难看到真正的技术爆发其实也就在近十年,尤其是多摄方案的普及更是让手机摄影的功能和玩法进入到指数级增长的时代,索尼甚至在2021年底推出了采用1英寸大底CMOS的Xperia PRO-I,同时还沿用了传统相机的对焦、连拍算法,让手机影像的硬件水平正式与自家黑卡系列平起平坐。

除此之外,各大品牌纷纷在景深专用镜头、超广角镜头、超长焦镜头、电影镜头、超微距镜头甚至超光谱镜头等功能上下足了工夫。不难看出在这个阶段,手机摄影从实用的记录生活,发展出了百花齐放的态势,但用户真的需要这么多功能么?为什么会形成这样的趋势呢。

从原因来看,其一在于“内卷”,手机厂商虽然想要降低成本,但激烈的市场竞争逼迫他们不敢采用保守方案,毕竟那句“我可不用,但你不能没有”实在是杀伤力太强,所以就开始捣鼓各类新玩法镜头。

另一方面,舆论的压力让主流手机厂商们不太会在中端及以上的产品上滥竽充数,所以1英寸大底、微距、超光谱等镜头成了最好的替代品,毕竟它们还是具备一定的实用性,而砍掉潜望式长焦就是在成本上做出的考量,在今年二季度我们或许会看到有更多使用这类设计思路的新机型亮相。

在5G时代,手机的数据中枢定位越来越清晰,功能也越来越重要,而手机摄影所衍生出的软件功能和算法机制都以蝴蝶效应的形式影响到了整个IT产业。

软件优化非常依赖CPU、GPU的算力,强悍的性能储备则变得非常重要,想要拥有更好地拍照体验,仅凭软件仍然是苍白的。为了满足大家对优化中的高要求,硬件也要跟得上。

不得不说vivo在影像硬件上的反应还是十分迅速的。随着超大广角、多主摄逐渐普及,拍摄正在突破人们对于手机摄影光学器件的想象。面对复杂光线、暗光场景、极限夜景以及众多视频拍摄场景时,手机的影像算力、芯片功耗都需要进一步升级进化。于是便诞生了vivo首款自主研发专业影像芯片vivo V1。

与设计整块SoC芯片相比,自研影像芯片的门槛和成本都更适合迅速迭代,不需要特别先进的制程,也具备一定容错率。在实际体验中,采用了vivo V1芯片的机型在夜景和人像方面更加出色。

与此同时,OPPO也在21年终发布了首枚自主芯片马里亚纳 X。这枚芯片采用了6nm的全EUV工艺与当前很多主流的智能手机5G SoC处于同一梯队。在发布会中曾提到,马里亚纳 X能实现18TOPS AI峰值算力比苹果A15处理器NPU单元的15TOPS算力更强。

作为衡量手机NPU性能更重要的标准——每瓦算力,马里亚纳 X为11.6TOPS/W,换算下来整个芯片的峰值运算功耗约为1.5W,如果让其执行现实图片,即实际拍摄图片的处理,更高达12TOPS/W,性能与能效比在当前业界都处于领先水准。

不仅如此,马里亚纳 X还拥有强悍的数据吞吐量、强大AI运算能力,可以结合定制RGBW传感器,进行RGBW Pro模式增强处理。虽然马里亚纳 X还未搭载到量产机型上,但从数据与制程工艺都能看出它的真正实力。

手机影像系统发展至今已近历经了多次演变,每一次变化都能带来全新的体验。2021年手机厂商的重点已经从硬件市场逐渐转移到了软件优化上,从“拍清楚画面”到“创作好照片”;从单纯的提高像素再到画面调优,这看似简单的改变,实则是对手机影像的全链路打通,未来也许手机也能直出大片。

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