已成大势的「潜望式变焦」到底是什么？一文让你看懂！
智慧型手机上的相机技术不断在创新，近期比较具话题且已经开始稳定发展的莫过于「潜望式变焦」，透过即时 5X 或 10X 光学放大倍率，使得望远放大效果更轻鬆快速。今天笔者就来为大家详细地讲讲潜望式变焦的用途、优缺点等各方面，让你对这款越来越多手机採用的新相机技术能够了解。
先从智慧型手机上的变焦发展历史讲起
虽说 Apple 并不是第一个在手机上导入相机的创新者，但由于 Apple 可被视为手机摄影领域的风向球，绝对称得上是使手机配备相机这件事情发扬光大的激励因素。在 2016 年时，Apple 推出了一款具备 2X 光学变焦的长焦镜头，此外还具备了纵向景深的拍摄。不过智慧型手机厂商一直在寻求将远处的影像拉得更近，2013 年时，Nokia 推出了拥有 4100 万画素镜头的 Lumia 1020，虽说这款当时的旗舰机并不支援任何光学变焦型态，但却以裁切的方式做到模拟类比对焦，截至目前为止，还是有许多主打超高像素的智慧型手机（像是 6400 万、10800万等）依然採用此策略。
与此同时，某些品牌也在试着以类似于相机的实际可伸缩镜头来做到变焦，举例来说，在 2013 年推出的 Samsung Galaxy S4 Zoom 就配备了可伸缩的 10X 光学变焦镜头和氙气闪光灯，随后还有 Galaxy K Zoom 紧接而来。
2017 年的 MWC 上，OPPO 更是首度展示了潜望式镜头结构，儘管早早发表却在这项技术上花了 2 年时间才得以商品化。2019 年 3 月华为推出了 P30 Pro，成为第一款配备潜望式镜头的手机，并且可拍摄高达 50X 的放大倍率。几个月后，OPPO Reno 10 倍变焦版推出，配备了类似的潜望式变焦相机，差不多同时间 Samsung 也开始量产潜望式镜头供其他手机製造商加入竞争。
什么是潜望式变焦镜头？
根据教科书的定义，潜望镜是一种光学结构，让任何人在不被看到的状态下看清楚周围的障碍物，传统应用在像是反射镜或稜镜上面，将光线以直角行进方向折射，让人们可以看到高于或低于原本实际视野，数十年来潜望镜一直被用于坦克车或潜水艇等战备机具上。
应用在智慧型手机的相机时并没有太大的差异，与标準长焦镜头所提供的 2X 或 3X 光学变焦相比，潜望式镜头可以透过多镜头加上感光元件的配合将变焦倍数提升到 5X 或 10X，潜望式结构的作用是能在不大幅提升手机厚度的情况下来配置镜头内的元件。如果想要了解相机模组中潜望镜的构造，你可以用 X、Y、Z 轴的 3D 排列方式来看。智慧型手机萤幕平面位于 Y、Z 位置，厚度可沿着 X 轴测量，传统的相机感光元件与镜头也位于 Y、Z 平面上，垂直于 Z 轴。但是，对于潜望式镜头的配置，感光元件和镜头皆位于 X、Z 平面上，以直角与 Y 轴相交。在相机感光元件的对面会有一个稜镜，用以改变垂直于感光元件的光线方向。使用直角稜镜也是为什么潜望式变焦镜头会有方形或矩形的开孔而不是传统圆形开孔的原因。
光线通过潜望式镜头的方形开口进入，以直角折射，然后穿过镜头到达感光元件。为了确保以 5X 或 10X 放大倍率拍摄的影像拥有高清晰度，潜望式长焦相机可支援自动对焦，使镜头向前或向后移动，使远方物体能精準聚焦在感光元件上。 Samsung 在以下影片中清楚地展示了这一点。此外，在 5X 或更高的变焦状态下，即使是极为细微的抖动感也会跟着放大，为了尽可能降低对拍摄时的影响，潜望式镜头多半在稜镜中会加上 OIS 或光学稳定功能，这表示稜镜可以沿多轴自由移动以回应重力变化，以适应各种意外的晃动。
藉由镜头和垂直于相机开孔的直角稜镜，可以节省整个镜头结构所佔用的大量空间，试想如果镜头与智慧型手机上的其他相机放在同一平面上，那么配备潜望式变焦镜头的智慧手机厚度会有多惊人。
潜望式变焦镜头与长焦镜头的差别在哪里？
长焦镜头不管是有没有配备伸缩移动机制，都能允许光学变焦，相比之下潜望式镜头可视为长焦镜头的延伸。除却元件排列方向差异之外，想要辨识长焦镜头与潜望式变焦镜头最简单的方式就是从镜头开口来区分，前者是传统的标準圆形开孔，而后者是方形开孔。这两者目前都有一个共通点，那就是皆不支援可变焦距，也许后来的厂商会有解决方案来进行改良。
潜望式变焦镜头的优缺点
在整个智慧型手机变焦功能方面，10 年来有相当大的突破与发展。
潜望式变焦镜头上最突出的优点，除了焦距比较长之外，就是能够让你以非常顺畅且尽可能降低噪点的状态下地在没有任何实际镜头动作的情况下捕捉远方物体或风景的照片。如果你热衷于拍摄小昆虫或爬行动物，你还可以利用潜望式变焦镜头，在不须靠被摄物太近的情况下进行微距拍摄。同时潜望式镜头的垂直式排列更能让製造商在不影响手机厚度的情况下配置安装感光元件和必要的镜头。
虽然潜望式变焦镜头比数位变焦能更有效地放大物体，但它们也有一些限制。潜望式变焦的最大挑战是，虽然它允许你自由在遥远的物体上进行光学放大或靠近一个微小的物体，但其焦距与缩放功能是有一个固定值的。镜头配置内的空间有限，可防止镜头阵列移动太多，而移动只能帮助自动对焦，却无法放大或缩小，因此，它无法让你像使用变焦镜头、 DSLR 或无反相机一样以实际和被摄物之间的距离改变来自由放大或缩小。
儘管有潜望式变焦配置，却也表示数位变焦仅在放大上使用，而非潜望式变焦支援的放大数值。举例来说，如果智慧型手机支援 5X 光学变焦，在缩放到 5X 变焦之前，潜望式变焦镜头不会作动，而是继续利用主镜头或另外一颗变焦镜头来支援数位变焦的较小放大倍率。如果你想要以高于 5X 的焦距捕捉某物的影像，例如 10X 时，智慧型手机会切换到潜望式变焦镜头，然后以数位方式缩放 2 倍，从而导致 10X 的複合变焦，也就是智慧型手机公司喜欢称之为「混合变焦」的光学与数位变焦组合。
▲OPPO 于 2019 年发表的 10 倍混合光学变焦技术
潜望式镜头的另一个主要缺点，随着焦距的增加，视野跟着变窄，光圈也较一般的变焦镜头小。由于光圈更小，感光元件上的进光量会减少，从而对环境光的需求会提升。因此，与具有更大光圈的镜头相比，使用潜望式变焦镜头拍摄的影像很容易出现光线昏暗与曝光过度的现象。虽然潜望式变焦相当强大且有发展性，但它缺乏可藉由实际移动来补足的长焦镜头所支援的多功能性。
潜望式镜头的未来发展
潜望式镜头的概念是数位变焦进步的过程，但还有非常大的进步空间来解决目前技术上的缺陷与限制。
作为首家展示潜望式变焦技术的 OPPO，在 2020 年 8 月时透漏了其正在开发的阶梯式潜望结构混合光学变焦技术，这个概念因具备可变焦距，将能允许进行可变光学变焦。在该概念中採用 7 组不等距排列的透镜，并将之分为 3 组，其中 2 组可进行自由变动，等效焦距在 85mm – 135mm ，配合 f/3.3 与 f/4.4 光圈发挥镜头的光学能力。同时，大尺寸感光元件结合 Fusion 多焦段图像融合技术、多摄视场角对齐技术和超分算法等，最终达到 85mm – 280mm 的焦段覆盖。
近日，小米也正在进行伸缩式大光圈镜头的开发，可以连接到主相机，也可以单独用在长焦镜头上。这种机制的主要好处是，镜头将可拥有比潜望式变焦模组更大的光圈，从而允许更多的进光量，提供更好的影像品质。小米很可能会在 2021 年推出一款搭载这种可伸缩光圈镜头的智慧型手机。
甚至包含 Apple 也预计在 2022 年将 iPhone 上的相机配置转为潜望式变焦镜头，虽然还有 2 年的时间，但一但 iPhone 上配备了潜望式镜头，能够将这项技术用力推向主流之路。
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