手机光学变焦和数码变焦的基本原理

天空很蓝

导读： 目前市场上流行的主流智能手机基本上都有了光学防抖的功能，但光学变焦就不行了，除了诺基亚的Lumia1020，也只有华硕的ZenFone Zoom能拿得出手，这两部手机都是三倍光学变焦。
       目前市场上流行的主流智能手机基本上都有了光学防抖的功能，但光学变焦就不行了，除了诺基亚的Lumia1020，也只有华硕的ZenFone Zoom能拿得出手，这两部手机都是三倍光学变焦。

手机镜头谈光学变焦就是在开玩笑，因为光学变焦与越来越薄的手机本身就是对立的，为什么这么说呢?因为光学变焦就是靠伸缩镜头组来实现的，要想保证镜头组有空间伸缩，镜头就要做厚，如此一来矛盾就出现了。

我们一起来看看什么是光学变焦?

我们先看看下面这张图，通过这张图，我们知道镜头通常是由一片或多片光学玻璃组成的透镜组，一枚镜头通常而言会同时配备凸透镜和凹透镜。如果我们进行变焦操作，镜头内的透镜位置会随之发生变化。

如上图所示，进行变焦操作时，L1(凸透镜)与L2(凹透镜)会沿着光轴方向移动，这样焦距也就变长了。焦距变长直接导致视角范围变小，最下面是镜头在长焦端的成像状态，可以看到右侧的成像范围明显减小。

小范围内原本在远处的物体看起来也就显得更大了，这就是光学变焦的基本原理。光学变焦不但可以将远处物体拉近，另一方面，由于焦距增大更加容易营造明显的背景虚化效果，这也是一种实用的拍摄技巧。

数码变焦又是什么?

严格意义上讲，数码变焦并不能算作是“变焦”，它是在现有的感光元件范围基础上截取一部分区域，将这个区域内的单个像素点面积增大，继而造成一种“放大”的效果。

由于没有改变镜头的焦距，而只是将像素点强行放大，所造成的结果自然是图像细节的严重缺失。比如iPhone6，在800万的感光元件上裁取中间的那400万，然后把这部分硬拉成800万的大小。

这就好像用Photoshop局部放大截图一样，实际可用价值微乎其微，所以不建议大家在手机上使用“变焦”功能，不过随着光电技术的发展，未来的光学变焦还是可以在很薄的手机空间内实现的。

加菲不会飞

增长点光学常识

hefang_vip6

未来七种手机光学变焦方式：下一个热点在哪里


　　一、光学变焦原理

　 　光学变焦是通过镜头、物体和焦点三方的位置发生变化而产生的。当成像面在水平方向运动的时候，视角和焦距就会发生变化，更远的景物变得更清晰，让人感觉 像物体递进的感觉。 显而易见，要改变视角必然有两种办法，一种是改变镜头的焦距。用摄影的话来说，这就是光学变焦。通过改变变焦镜头中的各镜片的相对位置来改变镜头的焦距。 另一种就是改变成像面的大小，即成像面的对角线长短在数码摄影中，这就叫做数码变焦。实际上数码变焦并没有改变镜头的焦距，只是通过改变成像面对角线的角 度来改变视角，从而产生了“相当于”镜头焦距变化的效果。

　　变焦镜头由固定透镜组和可变透镜组两部分组成。通过移动可变透镜组，改变成像光路，可以在一定的范围内改变镜头的焦距，从而也改变了拍摄的视角。



　　变焦镜头的倍率是指长焦端的最大焦距与广角端的最小焦距之比。

　　实现光学变焦的方法有多种，以下简单介绍。


　　二、外伸缩式

　　卡片式数码相机的光学变焦大多采用外伸缩式结构，由于体积大，系统复杂，移植到手机上使用的难度很大，然而三星却做到了，将一颗缩小版的外伸缩式光学变焦摄像头植入到手机机身内，Galaxy S5 Zoom便是其代表作。

　　外伸缩式光学变焦模组植入到手机，结构尺寸大、光电系统难度大、整机研发难度大、研发周期长、功耗高、外伸缩结构不利于用户使用、整机ID设计难等不利因素多，因此该方案并不适合追求便携、轻薄的手机搭载。



　　三、内伸缩式

　 　为了更好的把传统的机械式光学变焦摄像头模组植入到手机中，小型化设计成一条解决思路。夏普在2005年就推出了小型化设计的内伸缩式光学变焦模组，该 模组为300万像素，外围尺寸缩小到20×10×23.5mm，可实现3倍光学变焦。夏普V903SH以及V903SH手机就搭载了这类光学变焦模组，但 业界最有名的光学变焦手机还是诺基亚的N93及N93i，简直是一部迷你DV。

　　内伸缩式成功地缩小了摄像头模组尺寸，并且把整体伸缩的 结构更改为单个镜片在模组内的运动伸缩，使模组更容易搭载在手机上使用。但缺点是模组高度太高，以至于手机整机结构和ID设计难度很大，诺基亚更是别出心 裁地将该摄像头设计在转轴部位。但当下是追求简洁的智能手机时代，较大的模组高度显然不容易设计到手机中。





　　四、潜望式

　　为了再把内伸缩式的高度降低，索尼等公司创造性地设计出潜望式光学变焦模组，即在镜头末端增加一个45度的镜片，并将模组平行放置在手机上，高度得以大大降低。索尼的T系列卡片式数码相机超薄的机身就是采用这一设计得以完成的。

　　潜望式的结构，如果资源相对丰富，应用到智能手机上应该是非常棒的选择。



　　五、双摄像头算法变焦

　 　Corephotonics公司公布了一套双摄像头系统，是由两个摄像头组合而成，其中一个是广角镜头，另一个是微距镜头。在工作的时候，两个镜头同时 拍摄出一张远景和一张近景照片，通过后端算法合成一张照片，支持实时的光学变焦，且保证图像质量一致。而不像数码变焦，是通过取小幅图像放大后得到光学变 焦的效果，但图像通过放大后质量明显下降。




　　六、MEMS变焦

　　谷歌曾经申请的一项Alvarez镜头专利，镜头能够配置两个不同厚度的板块，通过折射实现光学变焦功能。简单地说，这种技术最大的好处就是非常适合小型数码设备如智能手机使用，可以实现一定倍数的光学变焦功能，不增加手机体积和功耗；但它也存在一定局限性，便是光学变焦倍数相对有限、同时镜头模块也相对固定，不能由厂商随意定制。



　　七、DynaOptics变焦

　　来自旧金山和新加坡的团队组成了DynaOptics工作室，他们提出了一种全新的光学结构。用它制造出的摄像头体积很小，可很方便的植入手机。

　　传统的变焦光学结构需要一组镜片内部移动调节彼此间距离以实现不同的光路，达到变焦的目的。DynaOptics提出了一个全新的光学结构，镜片间距离不变，而是通过平移镜片改变光路，就像是某种特殊的双焦镜片那样。

　　手机搭载的摄像头从像素不断拉高，到图像质量不断提升，到目前光学防抖的加入和普及，下一阶段加入光学变焦功能成必然趋势。

zhouxd

hefang_vip6 发表于 2015-8-10 09:04
未来七种手机光学变焦方式：下一个热点在哪里

六和七很接近，或许根本就是一回事？

hefang_vip6

zhouxd 发表于 2015-10-30 14:47
六和七很接近，或许根本就是一回事？

原理差不多，可能区别主要在于镜片的结构已经能变焦的倍数吧。
下面网页里有图的。
http://www.52rd.com/S_TXT/2014_10/TXT62375.HTM

Jamie

人眼是通过改变晶状体厚度来达到变焦目的，也可以类似来改变镜片厚度来变焦，比如液体透镜，只不过这个思路还在实验阶段

hnj1208

zhouxd 发表于 2015-10-30 14:47
六和七很接近，或许根本就是一回事？

DynaOptics公司把Alvarez lens的专利买过来了，是一回事。

去微软推哦怕

现在的方案是不做连续变焦，并且通过棱镜转折，解决厚度问题

zemaxhouzi

数码变焦就是电子变倍吧，把sensor上部分放大，通过图像处理进行插值，编码到更高的像素，至于图像的效果就取决于ISP插值的方式了。光学变焦在手机上实现目前通过棱镜折射来替代连续变焦，但是与轻薄，大光圈还是不可兼得。感觉只是会让单反重新回归小众。