手机有希望搭载200mm长焦镜头吗？

hi@victor42.work (Victor42) — Wed, 10 Jan 2024 17:57:00 +0000

之前研究过相机镜头原理和所谓手机光学变焦：https://victor42.eth.limo/post/3645/

里面说到“目前主流旗舰机型通常带有3个摄像头。一个焦距适中，20-35mm，略偏广角一点，拍摄日常事物；一个焦距较短，20mm以下，超广角镜头，拍摄大视野场面和微距；一个长焦，50mm以上，拍小角度远景”。

那么，手机会不会有一天进化到能塞得下200mm甚至更长焦距的镜头呢？带个手机出门就能打鸟了？最近有空继续研究，带着这个问题，又有新的思考和发现。

焦距越大镜头越长

首先要验证我的一个猜想：焦距越大，镜头无可避免越长。镜头内部的关键光学结构是透镜组，由一层层镜片构成，有凸透镜也有凹透镜。

以鱼眼镜头为例，它通过许多层透镜把外界180°视角的光线都收进来，一级一级偏折，“掰”成接近平行的光束。然后光束通过后续几级透镜的调整，清晰投影在感光元件上。

决定镜头长短的因素有很多，其内部光学结构是非常专业的知识，不是我这外行一下子能弄明白的。但有一个核心因素绕不开：焦距。为了简化理解这个问题，我们回顾一下初中物理的光学知识，把镜片组等效成一层透镜。

焦距是镜片中心到焦点的距离。特定弯曲程度的镜片，焦距必然在特定的位置，不会变。被拍摄的物体距离通常远远大于镜头焦距的2倍，属于图中第3种情况，会在感光元件上呈现缩小的实像。

根据成像公式：1/f=1/u+1/v，其中f是焦距、u是物距、v是像距，焦距固定的情况下，拍摄物越远（u越大），成像的位置越靠近焦距（v越接近于f）。由于物距远远大于像距，为了获得清晰的像，感光元件就必须摆在比焦距远一点的位置上。换焦距更大的透镜，感光元件自然就要摆得更远。

所以，一个长焦镜头的内部结构，即使真的简陋到只有一个透镜，为了达到长焦的目的，中间这一大段距离也必须得空着。可想而知，由复杂透镜组构成的真实，其内部也需要足够的距离。

有了这个结论，就知道手机镜头的瓶颈在哪了。这是基础物理规律的限制，无论技术工艺如何先进，也不太可能把200mm镜头做成只有50mm镜头那么短。

物理极限的大山

几年前的智能手机开始出现多个后置摄像头，一个高分辨率主摄搭配一个或多个低分辨率辅助摄像头。无论这些辅助摄像头目的为何，焦距基本都在50mm以下。难道没有厂商想过研发打鸟手机吗？这显然不是想象力的问题。

消费者确实有手机长焦镜头的需求。需求强烈的一批人，在一定程度上放弃了性价比、放弃了手机背面平坦的造型，于是我们开始看到越来越多新机型出现镜头区域凸起的设计。

我把这看作是物理规律露出了它锋利的牙齿，展示它的威力，而工程技术只好让步。如果凸起来也只能塞得下50mm镜头，那200mm镜头怕是要比手机厚度还长，看来手机打鸟是没戏了。

纵观智能手机发展史，我认为各种部件的性能有两种进化趋势：

摄像头像素值、存储容量等指数上升的趋势
镜头焦距、屏幕物理尺寸等对数上升（近似于）的趋势

其中前者还未遇到物理极限，后者则只能无限逼近极限。受限于手机的便携性，手机镜头焦距不能无止境增大，屏幕物理尺寸也一样。硬要做，技术上当然能做到，但这样的手机将变成另一种东西，脱离大众手机市场。

推广到其他产品上，除了一些光速之类的自然规律限制外，大多数的物理限制其实本质是人类身体结构的限制。人类的身体结构几十万年来没有发生巨大的变化，整个文明都是围绕人类的身体结构来打造的。为什么楼梯台阶的高度是这么高，为什么餐桌也都差不多高，为什么交通灯是红黄绿三色，为什么沐浴露要有香味……这些问题的答案最终都指向人类的身体结构。如果人类平均体型比现在大或者小好几倍，感官多一种或者少一种，整个文明都会是另一个样子。

越过山丘

那真的就不能手机打鸟了吗？

不如换个问法：不是怎样把200mm镜头做成只有50mm镜头那么短，而是怎样把200mm镜头塞进手机？

变短做不到，塞进手机却可以。人的创造力可以在工程技术上找到办法，虽然限制就是限制，无法突破，但是可以被绕过。

想起我买现在这台手机时，在官网查看它的各项参数，那是我第一次见到“潜望式镜头”这个名词。当时没多想，现在研究这个问题时，忽然就理解了它的含义。很直观，像潜望镜那样把光线折90°。虽然镜头长度太长，机身厚度装不下，机智的工程师们发现：“把它的宽当做长不就行了嘛！”

我拿到这台手机时，还好奇过，为什么3个摄像头中有一个是方的。这是潜望式镜头的一个特征，虽然躺在机体内的镜头仍然是圆形镜片，但方的镜头孔、方的反光镜都有利于增加进光量，以弥补潜望式镜头藏太深光线不足的劣势。

奔涌向前

想到这里，忽然对创新有一个新的认识。虽然道理之前也听说过，但今天的发现让我有直观感受。

某一项具体的创新，巧妙地解决了大问题，让产品有了质的飞跃，值得歌颂。但看待创新这件事时，不能拘泥于这些具体的巧思，它们也许并没有人们想的那么可贵。单单是让镜头躺下这个点子，全世界真的只有一个人能想到吗？难的是想到之后坚持投入人财物攻坚克难，一路解决遇到的问题。

从相当长的时间跨度来看，这类通过工程技巧绕过物理限制的创新，迟早会发生。即使不由这个人提出，类似的创新也可能会以另一种形式被其他人提出。只要有消费需求在，哪怕是潜在的、消费者自己都没有意识到的，需求的力量足以催动生产者想各种办法来达到目的。

半导体存储芯片算是尖端科技了吧？当制程小到不能再小，逼近量子极限的时候，出现了一种声音，认为芯片性能的提升到了尽头，存储容量的提升也到了尽头。现实是，立体封装技术的出现，直接绕过量子极限，充分利用垂直方向的空间，推动存储容量继续攀升。半导体这样的精密产品，处处是物理极限，但整个产业依然在极限的边缘舞蹈，突破一个又一个限制，奔涌向前。

看来，真正可贵的，是人类社会表现出的这种群体创新能力，这是一种变通的、不断探索和填满知识边界、把现有科技条件发挥到极致的能力。维持一个能够激发而非抑制这种群体创新能力的社会形态，才是推动文明发展的关键。

原来几倍光学变焦是这么回事

hi@victor42.work (Victor42) — Tue, 31 Oct 2023 10:04:00 +0000

研究了一会儿相机原理和手机镜头，新学到一些东西：

对专业相机来说，决定焦距与光圈的部件在镜头上，决定快门与感光度的部件在相机上。
光圈值的格式是f/x，它的含义就是公式的字面意思，两数相除。f是镜头的等效焦距，x是一个倍数，指光圈孔径是焦距的多少倍。
x是分母，因此光圈值f/x里的x越小，光圈值越大。
光圈值之所以这样表示，而不是直接表示成绝对的光孔直径，是因为对于不同焦距的镜头，只要这个x倍数一样，曝光和虚化效果就基本相同。这应该可以通过三角函数证明。
焦距决定了镜头最清晰的画面，也就是焦点在什么距离，光圈的大小决定了焦点前后多远范围的画面也能保持清晰。光圈大，清晰的范围就小，前后景虚化越明显，反之亦然。
手机摄像头由于物理空间限制，较少采用可变焦距、可变光圈这类复杂结构，而是在几个固定焦距、固定光圈的独立镜头间切换。
目前主流旗舰机型通常带有3个摄像头。一个焦距适中，20-35mm，略偏广角一点，拍摄日常事物；一个焦距较短，20mm以下，超广角镜头，拍摄大视野场面和微距；一个长焦，50mm以上，拍小角度远景。
手机摄像头并不会越变越多，拍摄对象就这么几类。
由于手机镜头多是固定焦距、固定光圈，实际上能调的主要是快门和ISO。但许多手机还有焦距调节的功能，这是靠算法实现的，焦距并没有真的改变。
手机摄像头光圈较小，所以景深大，从很近到很远的画面都是清晰的。手机能区分画面中物体的远近，当手动设定“虚拟焦距”时，软件把该焦距之外的物体用算法处理模糊，模拟出大光圈的效果。
这种算法模拟的焦距变化，无法与物理焦距相提并论。算法会出错，尤其人像模式，比如把人手上的物体误当做背景的一部分，出现人物清晰而手中物体和背景一起模糊的异常效果。

这就解释了我这台 OPPO Find X6 相机的奇特现象：默认1倍是清晰的，用的是24mm焦距主摄。0.6倍画面拉远，四个角形变明显，因为切换成了15mm超广角镜头。2倍画面拉近，但画质变差了，因为它只是取了1倍画面的中央部分强行放大了。3倍画面拉近，又变得和1倍一样清晰了，因为此时切换成了65mm长焦镜头（像素值与主摄相同）。6倍画面拉近，又变糊了，这是在3倍画面基础上裁了中央部分放大。