昨天午休的时候看到一则新闻，OPPO申请了一套光学变焦镜头专利，它的核心设计就是当年成熟于卡片机领域的潜望式镜头，可以在保持厚度数值较低的情况下实现较大的变焦空间，而且结合手机小尺寸传感器等效焦距易于做大的特点，理论上是比较符合逻辑的方案之一。
不过，大倍率的光学变焦也意味着一些比较明显的问题，首先是等效光圈会随着等效焦距的增加而大幅缩小，在广角端全开就已经非常贴近衍射极限的情况下，长焦端的分辨率下降无疑会非常剧烈。其次是防抖的问题，假设10倍光学变焦的等效长焦为240mm，此时F制光圈数值多会在F4级别上，若想要画面不出现抖动模糊，就意味着要有出色的防抖，OPPO专利中给出的数值是摇摆0.0025度，假设是一块1/1.7英寸传感器，这个等效焦距下的视场角约为2.2度，光学防抖的位移补偿仅有1.1%的幅度，作用比较有限，若是从硬件的角度来考虑就需要加入传感器防抖，但这会对内部空间，也就是机身厚度提出较高的要求，而这恰恰是手机最敏感的参数。同时别忘了，1/1.7英寸的宽度已经来到了5.7mm，而潜望式设计即是让传感器垂直于机身放置，也顺道就断了采用更大尺寸传感器的路，在手机厚度普遍7~9mm的情况下，6.6mm的2/3英寸或许就是极限了。所以在防抖可能掉队的情况下，又不能上信噪比更高的较大尺寸传感器，因此高增益（高ISO）的可靠度也明显降低，这会导致比较明显的实用性问题。除此之外，棱镜系统的加工、装配精度和稳定性，内部结构的复杂度要求都会变高，这些制造节点也是不容忽视的。
也就是说，潜望式设计虽然给出了长焦镜头的设计空间，但损失的却是实打实的性能上限，这也是为什么在卡片机盛行的时代，有着薄型设计优势的潜望式结构也并没有大幅普及的原因，对于手机来说厚度限制更大，因此我并不看好这种炒冷饭式的“创新”。
事实上手机摄影的技术创新核心早早就已经去到了软件端，也就是以算法为主的领域，所以谷歌、华为甚至小米等厂商都有独立的相机算法团队或部门，以前我曾经写过不少关于算法的解读文章，这种几乎可以“无中生有”的软实力上限非常高，比如可以克服极低照度下灵敏度不足的问题，能解决输出信噪比偏低的问题，也能反向推算动态模糊画面，甚至将普通24p视频转换为120p也能够实现，而且这些方法都是可以在训练器上训练成熟后直接应用到终端的（当然，也要配合相应的边缘计算芯片），有兴趣的话回头可以找几个项目聊聊。
算法进步到了什么境界？随便举个例子：上图左侧第一列和顶部第一行为真实照片，交叉对应的就是两两组合后的渲染人脸，随意感受一下吧，来自NVIDIA对抗神经网络训练的新研究……
虽然手机的小尺寸传感器会比较明显受衍射限制，很多人都会觉得它的成像素质不行，但成像素质本身有很多个组成部分，孔径大、视场高、成像圈大有利于提高光学分辨率，而孔径小、视场小和像场小则是明显有利于降低像差，以比较简单的赛德像差一个个简单说说吧。首先是球差，球差的定义就是焦点随孔径的变化，球差的大小直接取决于光线高度（再细一点就是纵向球差相对光线高度，横向球差相对光线最终斜率），小孔径光阑、小尺寸镜片先天球差就小；然后是慧差，慧差也就是放大倍率随孔径的变化，它随透镜形状而变化，与孔径光阑的尺寸和位置相关，简单来说就是孔径小，慧差小；第三是像散，透镜的像散量是光焦度、透镜形状和光阑孔径或位置距离的函数，如果讨论一个简单透镜，像散等于像高的平方除以透镜焦距；第四是场曲，简单的Petzval场曲就是像高平方除以焦距和透镜折射率乘积的一半；第五是畸变，轴外点像高不等于近轴像高时，就存在像失真，也就是畸变，对于无穷远的物体，像高应该等于焦距和1/2视场角正切值的乘积，畸变量会随像的尺寸而变化。
可以很明显的看到，小视场、小像场、小孔径的小尺寸成像系统在各方面像差都有着较好的抑制，当然，这个讨论比较简单，如果涉及到不同波长不同折射后的效果又会不一样，不过这个话题就扯远了，暂时就按下不表吧。简单来说就是在手机照片里，我们很难看到更大画幅相机会遭遇的各种像差问题，在低ISO，也就是程控电压低增益的情况下成像素质其实并不会差，特别是当代CMOS传感器本底噪声控制都相当优秀，结合高契合度的算法，其实已经超过了大多数人的需求门槛：
上图为iPhone 8 Plus，下图为A7M3，相同位置100%放大裁切，建议大家在电脑上观看原图，试着找找区别。
如果觉得差别不大的话，那再看另一组对比吧：
还是一样，但拍摄场景多出了很多织布纹理细节，这些都属于高频信息，换言之就是对光学分辨率极限要求较高，可以看到上图的iPhone 8 Plus细节就明显不如下图的A7M3。
A7M3有2400万像素，iPhone 8 Plus只有1200多万像素，也是导致差距的原因之一，但如果用同样只有1200万像素的A7S2来比较的话：
很明显，A7S2也依然要强不少，小尺寸传感器受等效光圈衍射对高频信息的影响可见一斑，但日常拍摄不会全是细节纹理图样，再加上手机端赏片基本不属毛，所以实际影响不算大，不过如果是长焦端再加上小光圈，影响就会辐射到更低频的空间信息，因此也还是值得警觉。
回到手机变焦镜头这个话题上来，当下用户对手机摄影的功能都是呈开放态度，能有高倍光学变焦当然是好事，掏出手机就能给参加运动会的儿子拍个特写当然是很棒的事情，但潜望式显然不算是一个好的解决方法，行业内相对有前景的方案是在透镜组前插一个可变式的转换镜组。
大家应该知道手机外挂镜头里就有望远镜头，它的最大优点就是在增加焦距的同时不缩小光圈，为什么？可参考下图：
这就是一个简单的长焦转换镜头，本质上是一个无焦系统，入射光束直径大于出射光束直径，因此转换倍率R会大于1，为R=D/d，通常有1.4X、1.5X、1.7X、2X、3X等等，这时候设原镜头焦距为f，此时原本镜头的入瞳径简单理解为d的话，那被前置长焦镜头放大后的入瞳径D=Rd，而装上R倍率外置镜头后焦距为Rf，组合后的光圈就是Rf/Rd=f/d，所以焦距变长但光圈不会发生变化，其实这个设计在很多长焦大光圈镜头上都能看到，大家可以注意观察200mm F2、300mm F2.8等等镜头的前镜组。
那么这套系统有2个比较明显的问题，第一是增倍系统需要较大的直径，所以它比较难做高倍率变焦，但这个问题必须按需考量，比如一个3倍左右的倍率（26-80mm）我觉得就很不错了。第二就是这个需要在变长焦时才启用，在广角端拍摄时如何才能让它“隐身”，又如何控制倍率呢？在机器视觉领域已经有比较应用的液态镜头或许是一个解决方案。
顾名思义，液态镜头就是用液体替代玻璃成为折射介质，一般液态镜头封装为两端电极+水+油组成，在不同电压的驱动下内部的油液形成不同的形态，以满足不同焦距的需求，它的主要优势是随电压或电流的响应速度很快，可适应多种距离和尺寸的系统，并且现有技术下它的直径比较小，也恰好可以适应到1/1.8英寸及以下为主的手机成像系统，关键是它还很节能，理论上能应用到手机上的型号功耗都在15mW以内。
不过无论怎样的设计，但凡是要光学变焦就意味着系统会变得很繁复，特别是想要实现较好的性能规格时，所以才有了一些利用多帧均值增加采样率后再裁切的数字变焦形式，我认为在手机这种寸土寸金的空间内，硬件设计的进步空间实在是小，对于平均使用寿命仅2年左右的产品来说成本也高，所以简单粗暴的多摄+算法结合是目前最合理的发展路线，特别是在手机摄影的赏片平台还是手机时，传统意义上的硬件性能增益并没有软件优化来得明显和贴合用户需求，所以，虽然今天聊了很多硬件设计，但真正影响未来手机摄影的，还得是软实力呐……