神乎其神的“液态镜头”真的无往不胜吗?

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究竟什么才是液态镜头?华为为何要使用它?

编者按:本文为专栏作者雷科技授权创业邦发表,版权归原作者所有。

随着9月份到来,2020年新机潮的下半部分也正式开启,iPhone 12、小米10T Pro、Mate 40、一加8T等旗舰开始有大量消息流出,似乎我们只要准备好钱等待发售就可以了。不过,虽然下半年的配置已经确定,但各大厂商已经紧锣密鼓地在为明年的旗舰做准备,特别是在摄像方面。从供应链的情报看,明年各大手机厂商都会在摄像头方面下功夫,给粉丝带来惊喜。

这些传闻中,有一条消息格外瞩目:在下半年的Mate 40系列上,华为将率先使用液态镜头,来改善手机的拍照性能,还有消息人士表示,未来的华为P50系列也会将液态镜头技术作为主打卖点云云。

这些传言虽然可信度不高,但也并非无中生有:2020年4月份,国家知识产权局批准了华为一项有关液态镜头的模组专利,华为在专利描述中表示,该模组能够让驱动液态镜头的马达满足自动对焦、光学防抖等性能要求,同时提高马达在撞击、跌落等非正常工作情况下的可靠性。

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可以看到,液态镜头将会是华为未来的拍照研究方向,但说了什么多,究竟什么才是液态镜头?而华为为何要使用它?

手机变焦之困

众所周知,相机(包括专业镜头)的光学变焦都是通过内部的镜组移动来完成的,镜片和其移动范围决定了变焦距离。但相较于单反镜头的硕大体积,手机往往没有足够的空间进行变焦调节,早期手机的变焦功能其实是就数码裁切,用算法来进行细节弥补,也就是常说的有损变焦。

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为了解决手机的变焦问题,厂商也使出了浑身解数,例如增加镜片数量、或者干脆上马一个专用的长焦镜头——这也是双摄的由来。但就算是双摄,手机能拍到的“原生焦段”还是有限,绝大部分场景依然要通过有损变焦来解决。

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当然,头铁的厂商也有,三星就是其中一个,它提出了一个极为粗暴的方案——在手机上添加体积硕大的摄像头,赢得变焦空间。虽然从结果来看,三星的变焦手机Galaxy Zoom K在2014年就已经实现了十倍的无损光学变焦,但其形态并不受市场的欢迎。

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在大家都在疯狂添加摄像头的时候,2017年的MWC大会上,OPPO站了出来,提出了一个富有创意性的设计——潜望式变焦方案。如今,市面上所有支持五倍以上无损变焦的手机,都采用了潜望式变焦的方案。说穿了,潜望式变焦就是“用厚度换宽度”,通过一枚棱镜,将射入光线横放,镜组的活动限制就从手机厚度变成了手机宽度。

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但到了今年,潜望式镜头也开始遇到瓶颈:如今的50倍变焦,依然要靠多个不同焦段的摄像头完成“画面接力”,进行有损变焦;潜望式摄像头最多也只能给到十倍无损变焦。多个定焦摄像头+潜望式镜头,让相机体积急剧扩大,威胁到了其他元器件的生存空间。

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为了让P40的变焦性能相较P30翻倍,达到100倍的数字变焦,华为特地将传统的潜望式变焦进行改造,将3组棱镜放入到模组中,光线经过五次折射才到达传感器,虽然最终完成了100倍的目标,但对于手机空间的利用也已到达了极限。

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而且,潜望式变焦带来的光线衰减也是不可避免的,光通过的介质越多,光线的损耗就越大;除此之外,由于光路横置的原因,位于终点的传感器也从“躺着”变成了“竖着”,这反而限制了传感器的大小。今年火爆的“一亿像素传感器”,就不可能用在潜望式镜头上。

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从上图iFixit的S20 Ultra拆解片段中可以看出,右后方一亿像素的镜头+传感器的体积已经和左后方的潜望式镜头体积相当,根本不可能给大面积传感器“横向”摆放的空间。事实上,当下的潜望式传感器顶多也只有1300万像素。

潜望式传感器虽然给我们带来了百倍变焦和十倍无损变焦,但它对于手机内部体积的挑战已经到了极限,只有切换赛道,才能给手机拍照带来新的可能。

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液态镜头成未来?

传统变焦手段“走到头”的原因,就是因为多个固定镜头要进行前后推拉,如果镜片不出现移动,而是可以自己改变弧度,进而改变光路,那变焦难题不就迎刃而解了吗?

实际上,液态镜头的原理并不复杂,它比传统镜头更早的进入到我们的眼中——人眼之所以能无缝调节焦距,就是因为睫状肌在自动调整晶状体的弧度,人之所以近视的原因,也是因为睫状肌长期收缩导致的痉挛,肌肉无法正常舒张看清远方。

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液态镜头的原理就是如此,通过电压改变液晶形成的镜片曲率,从而实现焦距变化(其实,LCD屏幕就是利用液晶加压改变旋转方向的特性,来让屏幕显示不同颜色)。2013年,人们已经将液态镜头做到了1厘米左右的大小,并能实现400焦段的清晰成像。

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除了液晶之外,利用油和水的形变也能实现折射效果:通过施加电压,让油层形成凸透镜,产生聚光效果。不过从小雷找的资料来看,施加的电压普遍在50V—100V左右,在手机上实现的希望渺茫。

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除了用液晶和油之外,液态镜头的探索方向也极为多样:利用液滴的高频振荡调整焦距、用挤压的办法直接调整液体曲率、利用液体对薄膜施加压力实现焦距调节……华为的专利其实并不算新奇,2010年,三星、索尼、佳能就有了液态镜头的相关专利,而液态镜头要上手机的传闻甚至可以追溯到2006年。

液态镜头的出现,很好的缓解了传统光学变焦过程中镜片所占的体积,尤其是在需要小型透镜的场合下——例如肠内镜,液态镜头发挥出了非常大的威力。加州大学就曾利用液态镜头,为病人做了胆囊切除术;液态镜头也已经被用在了微型扫码器上。

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但在手机上,液态镜头的发展空间依然有限,不提改变液体曲率的方法能否在手机内部那小小空间内有效实现(利用高压、震荡),也不提它的高昂成本(工业用的液态镜头扫码器在500元左右),液态镜头的色散、畸变情况较为严重,光学特性大幅落后于当今的成熟镜组,在短时间内,我们恐怕见不到它的身影。

可以说,近几年层出不穷的“液态镜头”传闻,某种意义上也表达了人们对于液态镜头前景的看好:体积小、没有活动组件、变焦广。但理想虽美好,现实很骨感,从目前来看,变焦镜头依然是小众市场的贵客,很难适用于手机这般用途广阔的使用场景,小雷虽然支持各大手机厂商对液态镜头的研究,但也呼吁吃瓜群众保持冷静,耐心等候佳音就好。

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