華為P40 Pro的10倍光學(xué)變焦實現(xiàn)原理

華為P40系列正式發(fā)布后，華為消費者業(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100美元?！?/p>

可見，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。

本文就來看看華為P40 Pro的十倍變焦是如何實現(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：5000萬像素主攝（1/1.28英寸RYYB傳感器，并支持OIS）、4000萬像素電影攝像頭（1/1.54英寸）、800萬像素3倍光變長焦（OIS）、800萬像素潛望式10倍光學(xué)長焦頭（OIS）以及一顆ToF 3D深感攝像頭，可稱為迄今為止華為影像功力的最高水平。

眾所周知，對比數(shù)字、混合、光學(xué)這三種變焦方式，光學(xué)變焦無疑是的成像畫質(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)前專注于遠(yuǎn)攝的廠商所面臨的問題，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)距離拍攝的畫面質(zhì)量。

在物理定律下，智能手機(jī)將更長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，傳統(tǒng)的高端智能手機(jī)只能實現(xiàn)2倍或3倍光學(xué)變焦系數(shù)。所以，實現(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)，不可能實現(xiàn)。

改進(jìn)鏡頭結(jié)構(gòu)，成為唯一可實現(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)下最為常見的手機(jī)光變方案。通過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現(xiàn)破局，實現(xiàn)了5倍光變。

簡單來說，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潛望式鏡頭橫置長焦鏡頭模組和感光器件基礎(chǔ)之上，獨創(chuàng)了”多反射潛望式光路折疊技術(shù)“，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(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對應(yīng)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。

當(dāng)然，華為P40 Pro+的多反射潛望式超長焦結(jié)構(gòu)并非只是多放幾個反射鏡這么簡單。光線進(jìn)入鏡頭，會經(jīng)過多次反射，光路畸變勢必會對成像質(zhì)量有一定影響。如果要保證成像質(zhì)量，就必須對模組內(nèi)的反射鏡組裝平面的精度控制要求極高，只有納米級的高精度反射面，才能有效降低光路畸變，實現(xiàn)畫質(zhì)無損。

有一個華為沒有在發(fā)布會上公開的細(xì)節(jié)是，在設(shè)計 P40 Pro+ 的相機(jī)模組時，他們原先是想借鑒手機(jī)芯片的組裝工藝技術(shù)。

但在最后比較時發(fā)現(xiàn)，芯片組裝的變形控制并不能達(dá)到相機(jī)團(tuán)隊的要求，因為相機(jī)團(tuán)隊給出的工藝要求是“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，這便需要納米級的高精度反射面才能最大程度減少光路在反射時出現(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)不到納米級的要求（1微米=1000納米）。而頭發(fā)絲的直徑一般不超過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)隊經(jīng)過一系列探索和分析，對關(guān)鍵參數(shù)工藝的參數(shù)深入研究，華為P40 Pro+最終實現(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)量和無損畫質(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，攝像頭怎樣實現(xiàn)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(dá)調(diào)整攝像頭和 CMOS 距離來完成遠(yuǎn)近景物的對焦。

但難點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)過多次反射，這就需要重新設(shè)計對焦馬達(dá)的位置。

P40 Pro+長焦模組的對焦馬達(dá)也有特殊的需求。因為反射潛望式超長焦結(jié)構(gòu)下，對焦馬達(dá)不僅需要帶動具有多反射面的反射鏡移動的同時，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)定移動反射鏡，挑戰(zhàn)非常大。

華為相機(jī)設(shè)計團(tuán)隊經(jīng)過多番驗證，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。同時采用優(yōu)異的潤滑材料，使馬達(dá)能夠高穩(wěn)定、高精度地移動反射鏡，實現(xiàn)自動對焦功能，這也構(gòu)成了這個模組獨特的對焦馬達(dá)技術(shù)，據(jù)悉，目前華為已經(jīng)為該馬達(dá)設(shè)計申請了技術(shù)專利。

除了獨特的設(shè)計與功能，這顆馬達(dá)還具備超長壽命的特點。即使經(jīng)過數(shù)百萬次的測試和極端環(huán)境的考驗，依然硬朗運作。

10倍光學(xué)變焦讓P40 Pro+實現(xiàn)了“千里眼”的效果，但華為并不滿足，在中距離邊焦段還加入了一顆3倍光學(xué)變焦長焦鏡頭在廣角和潛望式長焦之間接力，實現(xiàn)中距向遠(yuǎn)距平滑過渡。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人像的扭曲，鏡頭距離被拍攝者更遠(yuǎn)，減少拍攝動作的侵犯性，可以更好的定格自然神態(tài)。

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

為此，華為P40 Pro+為主攝、3倍長焦、10倍潛望長焦都加入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)上也是頭一次見到。同時，華為獨家的AIS智慧防抖能夠?qū)崿F(xiàn)基于語義的實時穩(wěn)定性，通過軟硬件之間精密契合，提升長焦拍攝防抖性能，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+支持所有場景像素級無損處理，全焦段全場景實現(xiàn)AI算法加持。