从光学结构看手机镜头了解手机的多镜头配置

　　在手机摄影领域，除了算法设计特点，多镜头的配置也是消费者与厂商们关注的课题，不过你知道为什么手机的镜头是这样设计吗？手机的镜头与相机有什么差异呢？多镜头的配置有什么特点呢？利用多样化的手机镜头，我们能够做到哪些事情呢？手机镜头有哪些未来的设计趋势呢？通过这篇手机镜头详解，我们将带你了解这些问题的原理与答案。
　　从光学结构看手机镜头
　　在解读手机镜头之前，我们必须从焦距与光圈来了解手机所搭载的镜头与相机究竟有什么差异，不同的焦距也会带来截然不同的光学性质。
　　为什么光圈相同，镜头会差这么多？
　　有些人可能会觉得奇怪，手机的主镜头通常大多具备颇大的光圈值，例如广角主镜头即具备f/1.5的大光圈，但相对来说，全片幅相机使用的镜头光圈如果要做到f/1.4，却需要比手机镜头大很多的体积，这究竟是为什么呢？首先最广泛的说法是，手机镜头进光量没有相机镜头这么多，所以体积也小很多。但实际上在同样光圈的状况下，无论是手机镜头还是相机镜头，两者的曝光参数都会是非常接近的，那么究竟是什么原因导致两者之间巨大的差异呢？最主要还是差别在「等效焦距」与「实际焦距」的差别，以广角主镜头为例，相机镜头的实际焦距是24-28mm，手机镜头的实际焦距通常仅仅只有4-6mm而已，原因是因为两者的感光元件尺寸差异，需要涵盖的成像圈面积有所区别之故。
　　手机镜头与相机的不同之处
　　光圈的定义是「焦比」，即焦距除以光通径，光通径可以理解成是镜片最大开孔的直径，虽然相机镜头与手机镜头视野相同，都是广角焦距，但手机是等效焦距，其实际焦距远小于相机镜头，在前面的光圈公式中，在光圈不变的状况下，实体焦距越小，所需的光通径也会越小，这也是为什么即使光圈这么大，但手机镜头却可以做得如此之小的缘故了。因应这项特性，虽然在光圈相同的状况下，手机与相机可以获得几乎相同的曝光参数，可以理解成两者感光元件的单位面积所接收到的光线量是相同的，但由于相机的感光元件远大于手机，所以虽然曝光值可能相同，但相机所接收到的光线总量是远多于手机的，这也是光圈所常带给我们的错觉之一。
　　了解手机的多镜头配置
　　为什么现在的手机都采用了多镜头配置呢？这些镜头又有哪些特点呢？
　　多镜头的常见布局
　　目前主流的摄影手机大多是二至三镜头配置，除了广角的主镜头之外，第二与第三镜头通常都是超广角与微距或长焦镜头，少部分手机会配置有特殊的镜头，例如显微镜头、黑白镜头等。在焦距配置上，比较多采用主镜头焦距二分之一（超广角）与主镜头焦距两倍（望远）的配置，其中一部分是源自于相机镜头焦距的惯例，以广角焦距24mm为例，焦距的一半12-13mm是超广角，而广角焦距的两倍48-50mm则接近所谓的「标准焦段」，常用在拍摄人像与速写上；另一部分则是因为在手机相机上有着0.5X与2.0X这样简单明了的操作界面，对一般使用者来说更容易上手。不过，近年也流行将手机的望远镜头拓展到超望远变焦的领域，或是开始将焦距配置到经典的人像焦段85mm等等，这点我们之后会再提到。
　　多镜头的利与弊
　　与相机的可换镜系统不同，由于手机每一颗镜头都需要独立运作，若它有搭载几颗镜头，就会需要配备几颗感光元件，这就导致了每颗镜头的表现有一定的差距，相对来说，机身也必须要容纳进多组包含光学镜片与感光元件在内的镜头配置，这就导致了目前主流的高端摄影手机几乎都有突出的镜头模组，也很难在镜头部分缩减体积。不过相对来说，多镜头独立运作也有不少优势，例如在镜头切换上能够做到更加顺畅无缝，部分机型或是App更能够支持多镜头录影等等。也许你也遇过一种情形，就是手机的广角主镜头身上具备很强的功能，例如最高的连拍速度，但在超广角或望远镜头上却不具备这项功能的状况，就是因为三颗镜头分别采用独立感光元件的缘故。
　　手机镜头的景深效果
　　如果你曾拿相机与手机比较过，那么会发现两者的景深效果差异不小，但是为什么会有这样的差异呢？
　　为什么手机的自然景深不明显？
　　延续我们在之前提到的光圈与焦距问题，虽然视野相同（等效焦距相同），但手机的实际焦距是远比相机要短的，而决定景深的三大要素分别是：摄物距离（越近景深越浅）、焦距（越长景深越浅），以及光圈（越大景深越浅），在摄物距离与光圈不变的状况下，焦距越短，景深会显得更深，这也是为什么虽然焦距看起来相同，但手机景深会远比相机要来深的原因。
　　先天缺陷就靠后天优势克服
　　写到这里应该很多读者会感到奇怪，「我手机上的人像与景深模式可以拍出很漂亮的散景啊？」确实，目前大部分的手机都能够应用人像模式来拍出背景模糊、有良好散景效果的漂亮照片，但这样的散景其实是经由算法所运算出来的，手机利用其运算能力的优势，很好的弥补了先天光学性能不足的劣势，具体的运作方法是利用测距测得场景主要物体的轮廓与背景的距离，再利用演算法将背景给模糊化处理，目前的手机镜头已可塑造出几可乱真的景深效果，不过也经常遇到因算法不准确导致拍出奇怪照片的情况。
　　除了景深效果，还有这些方法
　　撇除手机经运算后的景深效果，还有一些方法可以获得自然的散景，这在使用广角主镜头的时候比较容易出现。听起来很复杂，但其实只要掌握三个原则也能够轻松做到，一是使用光圈最大的那颗镜头（通常是广角主镜头），二是尽可能地拉近拍摄距离，但也别近到无法对焦，三是让主体与背景拉开足够的距离，有几种情境可以满足这样的拍摄条件，例如近距离拍摄花草，而通过以上这些拍摄方式，任何人都能够很简单的拍出景深较浅、具备自然散景的照片。
　　算法式摄影的必要性
　　手机的感光元件较小，存在一定的物理限制，也因此各家厂商在算法式摄影领域求新求变，用算法做出更种强悍的功能。
　　散景模拟
　　散景可谓是目前手机厂商的兵家必争之地，各家手机的算法各不相同，一部分厂商还有自家独门的散景功能，以求能拍摄出经典镜头的独特散景。以Vivo手机为例，X70 Pro就与蔡司合作，打造了蔡司镜头的模拟功能，能够拍摄Biotar、Distagon、Sonnar、Planar四种类型的散景，分别可以让散景的光点呈现不同程度的变化，也能够重现老镜的旋转散景，借此来满足摄影爱好者对散景的渴望。
　　夜景长曝模式
　　夜景模式可以说是目前照相手机的重点功能了，通过算法的帮助，过去手机镜头对低光源不利的状况已不复见，其原理是利用短时间内多次曝光，再将照片融合的技术，有别于以往使用相机必须使用脚架的限制，手机的夜景长曝功能可以在手持，不使用脚架的情况下能够拍出影像稳定、噪点较少、画质更为纯净的照片，加上HDR功能，能够将影像暗部提升、亮部抑制，借此弥补手机感光元件动态范围不足的缺点。
　　动态模糊效果
　　使用相机拍摄运动题材时有一种手法叫做「摇摄」，也称作追焦，是用镜头锁定横向移动的被摄物，通常是赛车做连拍，并将快门放慢，让背景变成极具速度感的模样。过去要使用相机拍出这样的照片需要通过反复的练习与足够稳定的Pan镜，但现在手机上也能够利用算法摄影做到这点，不需要反复练习，也不需要繁多的拍摄参数设定。以Google所推出的Pixel 6 Pro为例，其搭载的「摇摄功能」就能够自动判断手机Pan镜方向，并辨别主体与背景再做出摇摄效果。
　　望远镜头（长焦）的设计原理
　　人们都想要看得更远更清楚，相应而生的，就是各式各样的望远镜头就在手机上问世，这些望远镜头也都分别遇到了各自的问题。
　　怎么做才能看得更远？
　　一般既有观念是，望远镜头大多又大又重，不仅价格昂贵，而且也很不容易使用，但是在手机上搭载的望远镜头却截然不同，这是什么原理呢？其实手机或多或少都用了一点「手段」来达到望远效果，其一是采用较小尺寸的感光元件，因为视角被裁切了，所以视野更狭窄，等效焦距就变得更长了；其二是采用机内裁切或是数码变焦，通过算法补差点的方式，来达到望远效果，搭配焦距更长的镜头，就能够实现相当远的变焦效果。这两种方法都有一定的缺点，一是感光元件较小画质较差，二是数码变焦带来的画质减损。
　　望远镜头有哪些种类？
　　除了采用数码变焦的望远镜头之外，还有采用光学变焦的配置，那就是潜望式望远变焦镜头，做法是将手机镜片组采用横卧的方式给容纳进机身内。其实潜望式变焦早期是出现在卡片型数码相机身上（例如Sony Cyber-Shot T系列），手机方面早期有ASUS ZenFone Zoom，现在则大多数厂商都有搭载潜望式镜头的机型。
　　景深效果可能不如预期
　　需要注意的是，在传统相机的运用上，使用焦距越长、光圈更大的镜头能够获得更好的散景效果，但这项通则在手机上不一定适用，这是因为手机的望远镜头并非完全是采用更长的焦距与更大的光圈，常见的做法是用稍微长一些的焦距，搭配上较小尺寸的感光元件，通过裁切的方式，达成更远的等效焦距。也因此，在望远镜头焦距没有明显增长，加上光圈通常较小的因素之下，拍摄出的自然散景可能并不一定较佳。
　　手机镜头的限制与突破
　　手机基于其物理限制，在一部分光学表现上注定与相机存在着明显的差异，但通过各种方式，也能够拍出比以往更出色的照片。
　　感光元件尺寸
　　受限于体积，手机目前主流的感光元件尺寸大约介于1/2.3寸至1/1.5寸之间，相比以前是大上不少，但与相机比起来仍然小很多，相对之下手机镜头在高感光、低光源环境下的画质表现落差较大，过去的手机夜拍效果大多差强人意，但近年来通过算法，已可拍出相当出色的夜景照片。其次是解析力的差异，较小的感光元件限制了光线总量，画质表现有其限制存在，然而目前手机能够通过「像素位移」的方式，来提升画质或是拍摄出超高解析度的照片。
　　超广角性能
　　对相机来说，超广角并不是一个新手能随意触及的领域，主要是因为超广角镜头大多价格不菲，且套装镜组也往往没有搭配超广角镜头，但对手机来说，用超广角拍照就像是本能一样自然，许多手机不仅具备了超广角镜头，同时还内置了防畸变的功能，随手拍摄就是很漂亮的超广角照片，同时因为实际焦距极短，也因此景深非常深，有些甚至不需要额外的对焦就能够准焦拍摄，使用上的便利性尤胜过相机的超广角镜头，如果不论细致的画质表现，在白天与光线良好的户外条件下，手机的超广角镜头可说是十分方便且出色。
　　微距的便利性
　　在相机的微距摄影领域，通常需要齐全的配备才能拍摄，例如微距镜、补光板、闪灯，有些还需要脚架与专用云台，在拍摄时也需要注意景深是否过浅。但对手机来说，搭载的微距镜头却不需要繁多的设备，直接拿起来就可顺利拍摄，且一样具备不俗的放大倍率。当然就画质细腻度、影像的实用性、拍摄题材的广泛程度而言还是相机胜出，但随手可得的便利性仍然是巨大的优势。
　　手机镜头的未来与潜力
　　结合当今最新的影像科技所打造出的手机镜头，虽然具备物理限制，但通过运算能力与科技，还是有可能做到这些事情。
　　液态镜头
　　自小米MIX发布后，「液态镜头」就成为炙手可热的话题之一。什么是液态镜头呢？传统的光学透镜是采用玻璃或是树脂等高透光率的复合材料打造，通过定型的多组镜片来成像，并利用马达驱动镜片组达成变焦与对焦功能。液态镜头则是用高透光度的液体来取代以往的镜头材质，并且具备可变形、自适应的特点。相对于传统镜头，液态镜头具备体积小、构造简单、几乎不需要机械结构的特点，但液态镜头也有不少缺点，例如会受到重力影响、透光率不及传统镜头、像差校正不易，技术未成熟等等，在未来若能够将这些缺点一一克服，或许液态镜头也将引领下一个世代的手机镜头科技。
　　光场相机
　　在过去曾有Lytro打造了「光场相机」，原理是利用感光元件前方的微透镜阵列来测得被摄物的「光场」，即光的方向、颜色与强度，能够实现先拍照再对焦的功能。必须要说明的是，这与目前相机做到的先拍照后对焦功能不同，一般做法是拍下各个焦点的所有照片，再让使用者选择焦点给出适合的照片，但光场相机则是通过测得的光线数据来运算，并获得真实的照片。相对来说，手机具备强大的运算能力与测距结构，理论上比传统相机还要具备更好的光场运算条件，在未来或许也能见到这类技术的问世。
　　多镜头协同运算与运作
　　手机搭载多镜头已经是常态，我们也经常能够看到多镜头协同运作的实例，例如多镜头无缝切换、多镜头录影拍摄等。但手机拥有这么多颗感光元件，如果在拍摄的时候能把这些感光元件所获取的信息给结合起来，是不是就相当于是搭载了更大尺寸的感光元件呢？诸如此类的应用也是值得我们期待的。