華為P40 Pro的10倍光學(xué)變焦實(shí)現(xiàn)原理

華為P40系列正式發(fā)布后，華為消費(fèi)者業(yè)務(wù)CEO余承東自曝：“每部P40上的攝像頭成本是100美元（約合709元人民幣），甚至可能超過(guò)100美元?！?/p>

可見(jiàn)，為了讓相機(jī)拍得更遠(yuǎn)更清晰，華為在攝影部分也下了重注。 日前XYZone在ACFan上發(fā)布的華為P40 Pro的拆解視頻中也顯示，P40 Pro雖然還是三段式結(jié)構(gòu)，但攝像模組比P30大了好多，由于大型攝像模組和5G功能加入，P40的主板部分變大，電池和副板面積被進(jìn)一步壓縮。

本文就來(lái)看看華為P40 Pro的十倍變焦是如何實(shí)現(xiàn)的。

作為全球首款10倍光學(xué)變焦手機(jī)，P40 Pro+的后置徠卡五攝包括：5000萬(wàn)像素主攝（1/1.28英寸RYYB傳感器，并支持OIS）、4000萬(wàn)像素電影攝像頭（1/1.54英寸）、800萬(wàn)像素3倍光變長(zhǎng)焦（OIS）、800萬(wàn)像素潛望式10倍光學(xué)長(zhǎng)焦頭（OIS）以及一顆ToF 3D深感攝像頭，可稱(chēng)為迄今為止華為影像功力的最高水平。

眾所周知，對(duì)比數(shù)字、混合、光學(xué)這三種變焦方式，光學(xué)變焦無(wú)疑是的成像畫(huà)質(zhì)最好，但由于其結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜、占據(jù)面積最大，因此當(dāng)前專(zhuān)注于遠(yuǎn)攝的廠商所面臨的問(wèn)題，是在使用光學(xué)變焦的基礎(chǔ)上最大限度地削減、平衡相機(jī)模組的厚度，在有限的內(nèi)部空間里，提升手機(jī)遠(yuǎn)距離拍攝的畫(huà)面質(zhì)量。

在物理定律下，智能手機(jī)將更長(zhǎng)的變焦鏡頭安裝到其纖薄的機(jī)身中，手機(jī)制造商就算使用了比平常更小的圖像傳感器和巧妙的鏡頭設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)的高端智能手機(jī)只能實(shí)現(xiàn)2倍或3倍光學(xué)變焦系數(shù)。所以，實(shí)現(xiàn)5倍，甚至10倍光變的難度可想而知。

從量化標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，10倍的光學(xué)變焦，按照傳統(tǒng)的鏡頭結(jié)構(gòu)，不可能實(shí)現(xiàn)。

改進(jìn)鏡頭結(jié)構(gòu)，成為唯一可實(shí)現(xiàn)的方法

因此，最省內(nèi)部空間的“潛望式結(jié)構(gòu)”便成了當(dāng)下最為常見(jiàn)的手機(jī)光變方案。通過(guò)潛望鏡光線折疊的原理，手機(jī)能夠在有限的厚度內(nèi)，拍出比數(shù)字、混合變焦更清晰的遠(yuǎn)攝畫(huà)面。

在去年的華為P30 Pro身上，華為就率先試用了潛望式鏡頭實(shí)現(xiàn)破局，實(shí)現(xiàn)了5倍光變。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是將CMOS圖像傳感器，垂直放置在手機(jī)內(nèi)，并沿著一條與機(jī)身平行的光學(xué)軸線對(duì)準(zhǔn)鏡頭，然后使用一面反射鏡將進(jìn)入攝像頭內(nèi)的光線反射到鏡頭和圖像傳感器上，如此一來(lái)即可創(chuàng)造出比傳統(tǒng)攝像頭的安裝方向（即在手機(jī)表面上朝向外部）更長(zhǎng)的等效焦距。

而在今年的 P40 Pro+ 上，手機(jī)的光變能力達(dá)到了十倍。

據(jù)了解，華為P40 Pro+在P30 Pro潛望式鏡頭橫置長(zhǎng)焦鏡頭模組和感光器件基礎(chǔ)之上，獨(dú)創(chuàng)了”多反射潛望式光路折疊技術(shù)“，通過(guò) 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(méi)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(kāi)，模組高度可能已經(jīng)超出手機(jī)本身可容納相機(jī)的厚度，前面的諾基亞 808 就是在非潛望式方案下采用光學(xué)鏡頭的例子。

但是要讓手機(jī)拍得更遠(yuǎn)，光有潛望式結(jié)構(gòu)還不夠，光路需要進(jìn)行多次折疊，這就需要更好的反射鏡面來(lái)對(duì)應(yīng)每次光路的反射，否則每次反射的光線也會(huì)因?yàn)殓R組精度不足而造成損耗。

當(dāng)然，華為P40 Pro+的多反射潛望式超長(zhǎng)焦結(jié)構(gòu)并非只是多放幾個(gè)反射鏡這么簡(jiǎn)單。光線進(jìn)入鏡頭，會(huì)經(jīng)過(guò)多次反射，光路畸變勢(shì)必會(huì)對(duì)成像質(zhì)量有一定影響。如果要保證成像質(zhì)量，就必須對(duì)模組內(nèi)的反射鏡組裝平面的精度控制要求極高，只有納米級(jí)的高精度反射面，才能有效降低光路畸變，實(shí)現(xiàn)畫(huà)質(zhì)無(wú)損。

有一個(gè)華為沒(méi)有在發(fā)布會(huì)上公開(kāi)的細(xì)節(jié)是，在設(shè)計(jì) P40 Pro+ 的相機(jī)模組時(shí)，他們?cè)仁窍虢梃b手機(jī)芯片的組裝工藝技術(shù)。

但在最后比較時(shí)發(fā)現(xiàn)，芯片組裝的變形控制并不能達(dá)到相機(jī)團(tuán)隊(duì)的要求，因?yàn)橄鄼C(jī)團(tuán)隊(duì)給出的工藝要求是“頭發(fā)絲的兩千分之一”。

所以，要將光線以最高質(zhì)量的程度從攝像頭外傳入傳感器，這便需要納米級(jí)的高精度反射面才能最大程度減少光路在反射時(shí)出現(xiàn)的畸變。

但如此高精度的光學(xué)模組組裝工藝前所未有，也沒(méi)有任何先例可以借鑒。要知道，目前芯片的組裝工藝控制精度要求是10微米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到納米級(jí)的要求（1微米=1000納米）。而頭發(fā)絲的直徑一般不超過(guò)100微米，華為的要求是頭發(fā)絲的兩千分之一（不高于50納米），難度之大可想而知了。

最終，華為相機(jī)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)一系列探索和分析，對(duì)關(guān)鍵參數(shù)工藝的參數(shù)深入研究，華為P40 Pro+最終實(shí)現(xiàn)了最高約30納米的精度，即便在5次反射光路的情況下，依然保證了極高的成像質(zhì)量和無(wú)損畫(huà)質(zhì)。除了高精度的安裝工藝外，華為P40 Pro+的鏡頭模組還使用了透光率更高的玻璃鏡頭，極大減少了鬼影和眩光，讓光暈變得更加柔和。

在解決了拍照倍率后，攝像頭怎樣實(shí)現(xiàn)對(duì)焦的？

其實(shí)潛望式攝像頭的對(duì)焦方式和其他攝像頭對(duì)焦原理大同小異，都是通過(guò)馬達(dá)調(diào)整攝像頭和 CMOS 距離來(lái)完成遠(yuǎn)近景物的對(duì)焦。

但難點(diǎn)在于潛望式攝像頭的結(jié)構(gòu)比普通攝像頭更加復(fù)雜，光線在內(nèi)部需要經(jīng)過(guò)多次反射，這就需要重新設(shè)計(jì)對(duì)焦馬達(dá)的位置。

P40 Pro+長(zhǎng)焦模組的對(duì)焦馬達(dá)也有特殊的需求。因?yàn)榉瓷錆撏匠L(zhǎng)焦結(jié)構(gòu)下，對(duì)焦馬達(dá)不僅需要帶動(dòng)具有多反射面的反射鏡移動(dòng)的同時(shí)，還不能干擾光路，馬達(dá)只能“躲”在反射鏡后面的有限空間中，反射鏡的大部分重量都是掛在馬達(dá)的最前端。

這樣的話，馬達(dá)宛如一把從尾部抓著L型反射鏡的大榔頭，要保持在不同手機(jī)拍攝姿態(tài)下，都能高精度穩(wěn)定移動(dòng)反射鏡，挑戰(zhàn)非常大。

華為相機(jī)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)多番驗(yàn)證，采用了滑槽式承載方式，搭配極強(qiáng)的磁力與精密杠桿結(jié)構(gòu)，精巧地平衡了前端的反射鏡負(fù)載。同時(shí)采用優(yōu)異的潤(rùn)滑材料，使馬達(dá)能夠高穩(wěn)定、高精度地移動(dòng)反射鏡，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)焦功能，這也構(gòu)成了這個(gè)模組獨(dú)特的對(duì)焦馬達(dá)技術(shù)，據(jù)悉，目前華為已經(jīng)為該馬達(dá)設(shè)計(jì)申請(qǐng)了技術(shù)專(zhuān)利。

除了獨(dú)特的設(shè)計(jì)與功能，這顆馬達(dá)還具備超長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)。即使經(jīng)過(guò)數(shù)百萬(wàn)次的測(cè)試和極端環(huán)境的考驗(yàn)，依然硬朗運(yùn)作。

10倍光學(xué)變焦讓P40 Pro+實(shí)現(xiàn)了“千里眼”的效果，但華為并不滿(mǎn)足，在中距離邊焦段還加入了一顆3倍光學(xué)變焦長(zhǎng)焦鏡頭在廣角和潛望式長(zhǎng)焦之間接力，實(shí)現(xiàn)中距向遠(yuǎn)距平滑過(guò)渡。這顆鏡頭特別適合用于人像攝影，能夠有效減少透視畸變對(duì)人像的扭曲，鏡頭距離被拍攝者更遠(yuǎn)，減少拍攝動(dòng)作的侵犯性，可以更好的定格自然神態(tài)。

解決了鏡頭模組的問(wèn)題，遠(yuǎn)距離拍照的另外一個(gè)核心就是OIS光學(xué)防抖了。眾所周知，在長(zhǎng)焦端，手的抖動(dòng)會(huì)被放大，變焦倍數(shù)越高，抖動(dòng)被放大的效果就越明顯。如果沒(méi)有光學(xué)防抖的支持，再好的長(zhǎng)焦鏡頭也沒(méi)辦法發(fā)揮出應(yīng)用的效果。

為此，華為P40 Pro+為主攝、3倍長(zhǎng)焦、10倍潛望長(zhǎng)焦都加入OIS光學(xué)防抖機(jī)構(gòu)，三OIS光學(xué)防抖的配置在智能手機(jī)上也是頭一次見(jiàn)到。同時(shí)，華為獨(dú)家的AIS智慧防抖能夠?qū)崿F(xiàn)基于語(yǔ)義的實(shí)時(shí)穩(wěn)定性，通過(guò)軟硬件之間精密契合，提升長(zhǎng)焦拍攝防抖性能，提升高倍變焦成片率。

此外，基于麒麟990 5G強(qiáng)大的NPU打造的第三代華為AI圖像引擎，讓華為P40 Pro+支持所有場(chǎng)景像素級(jí)無(wú)損處理，全焦段全場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)AI算法加持。