华为P40 Pro的10倍光学变焦实现原理

华为P40系列正式发布后，华为消费者业务CEO余承东自曝：“每部P40上的摄像头成本是100美元（约合709元人民币），甚至可能超过100美元。”

可见，为了让相机拍得更远更清晰，华为在摄影部分也下了重注。 日前XYZone在ACFan上发布的华为P40 Pro的拆解视频中也显示，P40 Pro虽然还是三段式结构，但摄像模组比P30大了好多，由于大型摄像模组和5G功能加入，P40的主板部分变大，电池和副板面积被进一步压缩。

本文就来看看华为P40 Pro的十倍变焦是如何实现的。

作为全球首款10倍光学变焦手机，P40 Pro+的后置徕卡五摄包括：5000万像素主摄（1/1.28英寸RYYB传感器，并支持OIS）、4000万像素电影摄像头（1/1.54英寸）、800万像素3倍光变长焦（OIS）、800万像素潜望式10倍光学长焦头（OIS）以及一颗ToF 3D深感摄像头，可称为迄今为止华为影像功力的最高水平。

众所周知，对比数字、混合、光学这三种变焦方式，光学变焦无疑是的成像画质最好，但由于其结构最为复杂、占据面积最大，因此当前专注于远摄的厂商所面临的问题，是在使用光学变焦的基础上最大限度地削减、平衡相机模组的厚度，在有限的内部空间里，提升手机远距离拍摄的画面质量。

在物理定律下，智能手机将更长的变焦镜头安装到其纤薄的机身中，手机制造商就算使用了比平常更小的图像传感器和巧妙的镜头设计，传统的高端智能手机只能实现2倍或3倍光学变焦系数。所以，实现5倍，甚至10倍光变的难度可想而知。

从量化标准来看，10倍的光学变焦，按照传统的镜头结构，不可能实现。

改进镜头结构，成为唯一可实现的方法

因此，最省内部空间的“潜望式结构”便成了当下最为常见的手机光变方案。通过潜望镜光线折叠的原理，手机能够在有限的厚度内，拍出比数字、混合变焦更清晰的远摄画面。

在去年的华为P30 Pro身上，华为就率先试用了潜望式镜头实现破局，实现了5倍光变。

简单来说，就是将CMOS图像传感器，垂直放置在手机内，并沿着一条与机身平行的光学轴线对准镜头，然后使用一面反射镜将进入摄像头内的光线反射到镜头和图像传感器上，如此一来即可创造出比传统摄像头的安装方向（即在手机表面上朝向外部）更长的等效焦距。

而在今年的 P40 Pro+ 上，手机的光变能力达到了十倍。

据了解，华为P40 Pro+在P30 Pro潜望式镜头横置长焦镜头模组和感光器件基础之上，独创了”多反射潜望式光路折叠技术“，通过 5 次光路反射的原理延伸传感器的拍摄焦距，最终使得光路的光程在没有太大增加模组厚度的前提下，比上一代的潜望式方案提升 178%。

如果我们尝试将潜望式摄像头所折叠的光路展开，模组高度可能已经超出手机本身可容纳相机的厚度，前面的诺基亚 808 就是在非潜望式方案下采用光学镜头的例子。

但是要让手机拍得更远，光有潜望式结构还不够，光路需要进行多次折叠，这就需要更好的反射镜面来对应每次光路的反射，否则每次反射的光线也会因为镜组精度不足而造成损耗。

当然，华为P40 Pro+的多反射潜望式超长焦结构并非只是多放几个反射镜这么简单。光线进入镜头，会经过多次反射，光路畸变势必会对成像质量有一定影响。如果要保证成像质量，就必须对模组内的反射镜组装平面的精度控制要求极高，只有纳米级的高精度反射面，才能有效降低光路畸变，实现画质无损。

有一个华为没有在发布会上公开的细节是，在设计 P40 Pro+ 的相机模组时，他们原先是想借鉴手机芯片的组装工艺技术。

但在最后比较时发现，芯片组装的变形控制并不能达到相机团队的要求，因为相机团队给出的工艺要求是“头发丝的两千分之一”。

所以，要将光线以最高质量的程度从摄像头外传入传感器，这便需要纳米级的高精度反射面才能最大程度减少光路在反射时出现的畸变。

但如此高精度的光学模组组装工艺前所未有，也没有任何先例可以借鉴。要知道，目前芯片的组装工艺控制精度要求是10微米，远远达不到纳米级的要求（1微米=1000纳米）。而头发丝的直径一般不超过100微米，华为的要求是头发丝的两千分之一（不高于50纳米），难度之大可想而知了。

最终，华为相机团队经过一系列探索和分析，对关键参数工艺的参数深入研究，华为P40 Pro+最终实现了最高约30纳米的精度，即便在5次反射光路的情况下，依然保证了极高的成像质量和无损画质。除了高精度的安装工艺外，华为P40 Pro+的镜头模组还使用了透光率更高的玻璃镜头，极大减少了鬼影和眩光，让光晕变得更加柔和。

在解决了拍照倍率后，摄像头怎样实现对焦的？

其实潜望式摄像头的对焦方式和其他摄像头对焦原理大同小异，都是通过马达调整摄像头和 CMOS 距离来完成远近景物的对焦。

但难点在于潜望式摄像头的结构比普通摄像头更加复杂，光线在内部需要经过多次反射，这就需要重新设计对焦马达的位置。

P40 Pro+长焦模组的对焦马达也有特殊的需求。因为反射潜望式超长焦结构下，对焦马达不仅需要带动具有多反射面的反射镜移动的同时，还不能干扰光路，马达只能“躲”在反射镜后面的有限空间中，反射镜的大部分重量都是挂在马达的最前端。

这样的话，马达宛如一把从尾部抓着L型反射镜的大榔头，要保持在不同手机拍摄姿态下，都能高精度稳定移动反射镜，挑战非常大。

华为相机设计团队经过多番验证，采用了滑槽式承载方式，搭配极强的磁力与精密杠杆结构，精巧地平衡了前端的反射镜负载。同时采用优异的润滑材料，使马达能够高稳定、高精度地移动反射镜，实现自动对焦功能，这也构成了这个模组独特的对焦马达技术，据悉，目前华为已经为该马达设计申请了技术专利。

除了独特的设计与功能，这颗马达还具备超长寿命的特点。即使经过数百万次的测试和极端环境的考验，依然硬朗运作。

10倍光学变焦让P40 Pro+实现了“千里眼”的效果，但华为并不满足，在中距离边焦段还加入了一颗3倍光学变焦长焦镜头在广角和潜望式长焦之间接力，实现中距向远距平滑过渡。这颗镜头特别适合用于人像摄影，能够有效减少透视畸变对人像的扭曲，镜头距离被拍摄者更远，减少拍摄动作的侵犯性，可以更好的定格自然神态。

解决了镜头模组的问题，远距离拍照的另外一个核心就是OIS光学防抖了。众所周知，在长焦端，手的抖动会被放大，变焦倍数越高，抖动被放大的效果就越明显。如果没有光学防抖的支持，再好的长焦镜头也没办法发挥出应用的效果。

为此，华为P40 Pro+为主摄、3倍长焦、10倍潜望长焦都加入OIS光学防抖机构，三OIS光学防抖的配置在智能手机上也是头一次见到。同时，华为独家的AIS智慧防抖能够实现基于语义的实时稳定性，通过软硬件之间精密契合，提升长焦拍摄防抖性能，提升高倍变焦成片率。

此外，基于麒麟990 5G强大的NPU打造的第三代华为AI图像引擎，让华为P40 Pro+支持所有场景像素级无损处理，全焦段全场景实现AI算法加持。