已成大勢的「潛望式變焦」到底是什麼?一文讓你看懂!

電腦王阿達

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發佈時間: 2020-11-29 11:18

打從第一款配備有相機的手機推出以來,相機就立刻成為手機發展的重點核心之一,有些品牌更是將研發資源大力挹注在如何精進相機鏡頭、捕捉完美照片上面。近年來,手機廠商開始把研發力放在改良手機鏡頭與為手機配備更多感光元件上面,而最顯著的變化是品牌之間的競爭增加,如何以更低的成本為消費者提供更多鏡頭。

已成大勢的「潛望式變焦」到底是什麼?一文讓你看懂!

智慧型手機上的相機技術不斷在創新,近期比較具話題且已經開始穩定發展的莫過於「潛望式變焦」,透過即時 5X 或 10X 光學放大倍率,使得望遠放大效果更輕鬆快速。今天筆者就來為大家詳細地講講潛望式變焦的用途、優缺點等各方面,讓你對這款越來越多手機採用的新相機技術能夠了解。

先從智慧型手機上的變焦發展歷史講起

雖說 Apple 並不是第一個在手機上導入相機的創新者,但由於 Apple 可被視為手機攝影領域的風向球,絕對稱得上是使手機配備相機這件事情發揚光大的激勵因素。在 2016 年時,Apple 推出了一款具備 2X 光學變焦的長焦鏡頭,此外還具備了縱向景深的拍攝。不過智慧型手機廠商一直在尋求將遠處的影像拉得更近,2013 年時,Nokia 推出了擁有 4100 萬畫素鏡頭的 Lumia 1020,雖說這款當時的旗艦機並不支援任何光學變焦型態,但卻以裁切的方式做到模擬類比對焦,截至目前為止,還是有許多主打超高像素的智慧型手機(像是 6400 萬、10800萬等)依然採用此策略。


與此同時,某些品牌也在試著以類似於相機的實際可伸縮鏡頭來做到變焦,舉例來說,在 2013 年推出的 Samsung Galaxy S4 Zoom 就配備了可伸縮的 10X 光學變焦鏡頭和氙氣閃光燈,隨後還有 Galaxy K Zoom 緊接而來。


2017 年的 MWC 上,OPPO 更是首度展示了潛望式鏡頭結構,儘管早早發表卻在這項技術上花了 2 年時間才得以商品化。2019 年 3 月華為推出了 P30 Pro,成為第一款配備潛望式鏡頭的手機,並且可拍攝高達 50X 的放大倍率。幾個月後,OPPO Reno 10 倍變焦版推出,配備了類似的潛望式變焦相機,差不多同時間 Samsung 也開始量產潛望式鏡頭供其他手機製造商加入競爭。
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什麼是潛望式變焦鏡頭?

根據教科書的定義,潛望鏡是一種光學結構,讓任何人在不被看到的狀態下看清楚周圍的障礙物,傳統應用在像是反射鏡或稜鏡上面,將光線以直角行進方向折射,讓人們可以看到高於或低於原本實際視野,數十年來潛望鏡一直被用於坦克車或潛水艇等戰備機具上。

應用在智慧型手機的相機時並沒有太大的差異,與標準長焦鏡頭所提供的 2X 或 3X 光學變焦相比,潛望式鏡頭可以透過多鏡頭加上感光元件的配合將變焦倍數提升到 5X 或 10X,潛望式結構的作用是能在不大幅提升手機厚度的情況下來配置鏡頭內的元件。如果想要了解相機模組中潛望鏡的構造,你可以用 X、Y、Z 軸的 3D 排列方式來看。智慧型手機螢幕平面位於 Y、Z 位置,厚度可沿著 X 軸測量,傳統的相機感光元件與鏡頭也位於 Y、Z 平面上,垂直於 Z 軸。但是,對於潛望式鏡頭的配置,感光元件和鏡頭皆位於 X、Z 平面上,以直角與 Y 軸相交。在相機感光元件的對面會有一個稜鏡,用以改變垂直於感光元件的光線方向。使用直角稜鏡也是為什麼潛望式變焦鏡頭會有方形或矩形的開孔而不是傳統圓形開孔的原因。


光線通過潛望式鏡頭的方形開口進入,以直角折射,然後穿過鏡頭到達感光元件。為了確保以 5X 或 10X 放大倍率拍攝的影像擁有高清晰度,潛望式長焦相機可支援自動對焦,使鏡頭向前或向後移動,使遠方物體能精準聚焦在感光元件上。 Samsung 在以下影片中清楚地展示了這一點。此外,在 5X 或更高的變焦狀態下,即使是極為細微的抖動感也會跟著放大,為了盡可能降低對拍攝時的影響,潛望式鏡頭多半在稜鏡中會加上 OIS 或光學穩定功能,這表示稜鏡可以沿多軸自由移動以回應重力變化,以適應各種意外的晃動。


藉由鏡頭和垂直於相機開孔的直角稜鏡,可以節省整個鏡頭結構所佔用的大量空間,試想如果鏡頭與智慧型手機上的其他相機放在同一平面上,那麼配備潛望式變焦鏡頭的智慧手機厚度會有多驚人。

潛望式變焦鏡頭與長焦鏡頭的差別在哪裡?

長焦鏡頭不管是有沒有配備伸縮移動機制,都能允許光學變焦,相比之下潛望式鏡頭可視為長焦鏡頭的延伸。除卻元件排列方向差異之外,想要辨識長焦鏡頭與潛望式變焦鏡頭最簡單的方式就是從鏡頭開口來區分,前者是傳統的標準圓形開孔,而後者是方形開孔。這兩者目前都有一個共通點,那就是皆不支援可變焦距,也許後來的廠商會有解決方案來進行改良。

潛望式變焦鏡頭的優缺點

在整個智慧型手機變焦功能方面,10 年來有相當大的突破與發展。
潛望式變焦鏡頭上最突出的優點,除了焦距比較長之外,就是能夠讓你以非常順暢且盡可能降低噪點的狀態下地在沒有任何實際鏡頭動作的情況下捕捉遠方物體或風景的照片。如果你熱衷於拍攝小昆蟲或爬行動物,你還可以利用潛望式變焦鏡頭,在不須靠被攝物太近的情況下進行微距拍攝。同時潛望式鏡頭的垂直式排列更能讓製造商在不影響手機厚度的情況下配置安裝感光元件和必要的鏡頭。


雖然潛望式變焦鏡頭比數位變焦能更有效地放大物體,但它們也有一些限制。潛望式變焦的最大挑戰是,雖然它允許你自由在遙遠的物體上進行光學放大或靠近一個微小的物體,但其焦距與縮放功能是有一個固定值的。鏡頭配置內的空間有限,可防止鏡頭陣列移動太多,而移動只能幫助自動對焦,卻無法放大或縮小,因此,它無法讓你像使用變焦鏡頭、 DSLR 或無反相機一樣以實際和被攝物之間的距離改變來自由放大或縮小。


儘管有潛望式變焦配置,卻也表示數位變焦僅在放大上使用,而非潛望式變焦支援的放大數值。舉例來說,如果智慧型手機支援 5X 光學變焦,在縮放到 5X 變焦之前,潛望式變焦鏡頭不會作動,而是繼續利用主鏡頭或另外一顆變焦鏡頭來支援數位變焦的較小放大倍率。如果你想要以高於 5X 的焦距捕捉某物的影像,例如 10X 時,智慧型手機會切換到潛望式變焦鏡頭,然後以數位方式縮放 2 倍,從而導致 10X 的複合變焦,也就是智慧型手機公司喜歡稱之為「混合變焦」的光學與數位變焦組合。

▲OPPO 於 2019 年發表的 10 倍混合光學變焦技術

潛望式鏡頭的另一個主要缺點,隨著焦距的增加,視野跟著變窄,光圈也較一般的變焦鏡頭小。由於光圈更小,感光元件上的進光量會減少,從而對環境光的需求會提升。因此,與具有更大光圈的鏡頭相比,使用潛望式變焦鏡頭拍攝的影像很容易出現光線昏暗與曝光過度的現象。雖然潛望式變焦相當強大且有發展性,但它缺乏可藉由實際移動來補足的長焦鏡頭所支援的多功能性。

潛望式鏡頭的未來發展

潛望式鏡頭的概念是數位變焦進步的過程,但還有非常大的進步空間來解決目前技術上的缺陷與限制。
作為首家展示潛望式變焦技術的 OPPO,在 2020 年 8 月時透漏了其正在開發的階梯式潛望結構混合光學變焦技術,這個概念因具備可變焦距,將能允許進行可變光學變焦。在該概念中採用 7 組不等距排列的透鏡,並將之分為 3 組,其中 2 組可進行自由變動,等效焦距在 85mm - 135mm ,配合 f/3.3 與 f/4.4 光圈發揮鏡頭的光學能力。同時,大尺寸感光元件結合 Fusion 多焦段圖像融合技術、多攝視場角對齊技術和超分算法等,最終達到 85mm - 280mm 的焦段覆蓋。


近日,小米也正在進行伸縮式大光圈鏡頭的開發,可以連接到主相機,也可以單獨用在長焦鏡頭上。這種機制的主要好處是,鏡頭將可擁有比潛望式變焦模組更大的光圈,從而允許更多的進光量,提供更好的影像品質。小米很可能會在 2021 年推出一款搭載這種可伸縮光圈鏡頭的智慧型手機。


甚至包含 Apple 也預計在 2022 年將 iPhone 上的相機配置轉為潛望式變焦鏡頭,雖然還有 2 年的時間,但一但 iPhone 上配備了潛望式鏡頭,能夠將這項技術用力推向主流之路。

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