自从第一款带有相机的手机问世以来，相机就一直是手机的核心功能。早期，手机厂商主要通过增加摄像头的像素来提高在这一方面的竞争力。近年来，随着智能手机竞争的加剧，很多手机厂商在相机功能上进行了创新。而在其中潜望式变焦技术越来越受到追捧，它支持 5 倍或 10 倍的光学变焦，便于快速、轻松地放大远处的景物。下面，我们就来介绍潜望式变焦镜头的用途、优缺点以及使用前景。
潜望式变焦摄像头的出现
首先，我们简单了解一下出现这一技术创新的原因。最早是摄像头的增加，当一颗摄像头不能同时实现几种功能时，手机厂商给后置相机增加了一个摄像头。比如，苹果于 2016 年在 iPhone 7 Plus 上推出了 2 倍光学变焦的长焦摄像头（除了光学变焦外，这颗摄像头还被用来捕捉背景深度数据，可以更好地拍摄人像照片）。然而，智能手机在这种拉近远距离的探索上有着悠久的历史，2013 年，诺基亚推出了搭载 4100 万像素摄像头的 Lumia 1020。虽然这款手机并不支持任何形式的变焦，但 4100 万像素传感器拍摄的巨大图像可以放大裁剪，以模拟变焦。时至今日，智能手机品牌也在使用类似的策略来推广大像素的手机相机，比如 6400 万像素甚至 1.08 亿像素。
同时，一些品牌也在不久后尝试了类似点阵相机的移动镜头设置。例如，三星在 2013 年推出了 Galaxy S4 Zoom，它配备了一个凸出的 10 倍光学变焦镜头和氙气闪光灯，导致其和数码相机的相似度非常高，以至于 Galaxy S4 Zoom 更应该称作是“手机相机”，而不是“相机手机”。次年，三星又推出了相同功能的 Galaxy K Zoom。
当时，智能手机上的潜望式变焦镜头的概念仍然相当新颖。而到了 2017 年的 MWC 上，OPPO 首次展示了潜望式变焦摄像头的光学变焦功能，但并没有立即量产。将潜望式变焦镜头发扬光大的应该是华为，2019 年，华为推出了 P30 Pro，将潜望式变焦镜头概念进行了一次普及，而华为也成为第一个量产这一技术的品牌。正如评测中所看到的那样，华为 P30 Pro 可以在 50 倍的数字变焦下进行拍摄。
潜望式变焦摄像头的原理
接下来，我们了解下该技术实现的原理。按照书上的定义，潜望镜是一种光学仪器，可以让人在不能直接看到景象的时候通过它能看到周围的情况。传统上，它包括发射的镜面或以直角折射光线的棱镜，使人能够看到他们实际视线之上或之下的东西。这一技术在坦克、潜艇或装甲车上有广泛应用。
在智能手机摄像头上，这一技术的应用并没有什么不同。相对于提供 2 倍或 3 倍光学变焦的普通长焦摄像头，潜望式变焦摄像头通常通过使用多个单镜头与相机传感器一起提供 5 倍或 10 倍光学变焦。潜望镜的作用是帮助容纳一系列镜头，而不会大幅增加智能手机的厚度。
为了理解潜望镜在手机相机模块中的作用，我们可以按上图所示，将智能手机以 X、Y 和 Z 坐标代表不同的轴进行三维排列。智能手机与屏幕平躺在 YZ 平面上，而其厚度可以沿 X 轴测量。传统的摄像头传感器和连接的镜头也位于 YZ 平面上，垂直于 Z 轴。但在使用潜望式镜头的情况下，传感器和镜头位于 XZ 平面上，并于 Y 轴成直角相交。在相机传感器对面，有一个棱镜，可以改变垂直于传感器的光线方向，直角棱镜采用的是方形或矩形切口而不是传统的圆形切口。
光线从潜望式变焦镜头的矩形切口进入，以直角折射，然后通过镜头到达传感器。为了确保用 5 倍或 10 倍变焦拍摄的图像清晰，潜望式变焦镜头配备了自动对焦支持。其中镜头向前或向后移动，以对传感器远处的物体进行对焦。
此外，在 5 倍或更高的变焦下，即使是细微的震动也会被放大，将导致画面不稳。为了避免这种偏移，潜望式变焦镜头内置了 OIS 或光学防抖功能，它可以让棱镜沿着多个轴线自由移动，以抵抗重力变化。
通过将镜头与直角棱镜垂直于相机切口排列，智能手机厂商可以节省大量空间。而在单反相机中，潜望镜设计也能利用镜面或棱镜来反射或折射从相机镜头到光学取景器的光线。虽然单反相机内的潜望镜和智能手机上的潜望式变焦镜头之间没有直接关系，但我们或许可以猜测后者的灵感来源于前者。
潜望式变焦摄像头与长焦摄像头的差别
那么潜望式变焦摄像头和普通的长焦摄像头有何不同呢？普通的长焦摄像头是指那些可以进行光学变焦的摄像头，不管是否有移动部件。相比之下，潜望式变焦摄像头是长焦摄像头的延伸。除了方向的不同，长焦相机和潜望式变焦镜头还可以通过观察相机开口的形状加以区分：普通长焦摄像头的开口一般为圆形，而潜望式变焦摄像头为方形或矩形。
潜望式变焦摄像头优点
并且，相对于普通长焦摄像头来说，潜望式变焦摄像头具有不少优点。它最凸出的优势在于可以让你在没有任何镜头移动的情况下，拍摄远处的物体或景物的效果接近于单反相机。同时，潜望镜的垂直方向设置可以让智能手机厂商将相机传感器和必要的镜头安装在手机内而不用付出增加手机厚度的代价。除了潜望式变焦摄像头的焦距较长，非常适合捕捉远处的物体外，OIS 还能保证用潜望式光学变焦拍摄的图像噪点比数字变焦少得多，在弱光或夜间拍摄的时候，该功能也很方便。
除了解决智能手机使用数字变焦所面临的挑战和局限外，智能手机上的潜望式变焦模块还可以让用户窥探微观世界。它可以用来拍摄微距照片，而不用离物体太近。如果你热衷于拍摄昆虫或微小的爬行动物，这一点尤其有用。
潜望式变焦摄像头缺点
虽然潜望变焦相机增加了比数字变焦更有效地近距离放大物体的能力，但它也带来了一定的限制。潜望式长焦摄像头最大的挑战在于，虽然它可以让你自由地对远处的物体进行光学放大，或者对微小的物体进行近距离观察，但它的变焦能力却被固定在一定的数值上。镜头内部空间有限，无法让镜头阵列移动太多。这种移动只能方便自动对焦，但不能进行放大或缩小。因此，它不能让你像在数码单反相机上移动变焦镜头那样自由放大或缩小。
这意味着，尽管采用了潜望镜设置，但数字变焦在潜望式变焦摄像头所支持的倍率值以外的倍率值会启动。例如，如果智能手机支持 5 倍光学变焦，潜望镜相机将不会发挥作用，直到你放大到 5 倍变焦，而是继续使用主相机或另一台长焦相机支持较小的数字变焦放大率。
现在，如果你想以高于 5 倍的焦距拍摄一些东西，比如说在 10 倍变焦的时候，智能手机会以潜望式变焦的 5 倍变焦拍摄，然后数码变焦是 2 倍，从而实现 10 倍的变焦。手机厂商喜欢将其称为 \”混合 \”变焦，即光学和数字变焦的结合。
潜望镜相机的另一个关键缺点是，随着焦距的增加，视野变窄，相机开口的光圈比主相机小（假设两个相机使用的镜头几乎相同）。光圈小了，落在传感器上的光量就会减少，导致对环境光的要求更高。因此，与光圈大得多的主相机相比，使用潜望镜相机拍摄的图像要么光线昏暗，要么人为地曝光过度。这说明，虽然潜望式变焦的功能相当强大，但它缺乏实际移动长焦镜头所允许的多功能性。
潜望式变焦摄像头发展前景
潜望式长焦摄像头的概念比长焦摄像头有所进步，但上面所列举的局限性说明了其还有很大的发展空间，需要一个更好的解决方案。作为第一家创新潜望式相机的公司，OPPO 现在正在研究一种先进的概念，即可变焦距，可以实现可变光学变焦。2020 年 8 月，OPPO 透露了其 \”混合光学变焦 \”的概念，该概念利用 7 元件镜头设置。
这些镜头并不是所有镜头之间都是等距离的，而是分为三组，其中两组可以自由移动，这种自由移动可以实现可变焦距，范围在 85mm 和 135mm 之间，以及在 3.3 倍和 5.2 倍之间改变光学变焦。这可以与最高 32 万像素分辨率的 CMOS 传感器绑定，并支持 4 合 1 像素合成。
同时，小米还在研究一种可伸缩的镜头设置，它既可以作为摄像头，也可以作为一个独立的长焦镜头使用。这种机制的一个主要好处是，该镜头将利用比潜望模块大得多的光圈，允许更多的光线，从而获得更好的图像。小米最早可能在 2021 年就会推出搭载这种可伸缩镜头的智能手机。
就连苹果预计也将在 2022 年在 iPhone 上采用潜望镜摄像头。虽然离这一目标还有两年时间，但在 iPhone 上采用潜望镜相机可能会让这一技术得到更加广泛的普及。