2019年04月17日 | 揭秘OPPO Reno 10倍光学变焦技术

OPPO在4月10日发布的Reno系列10倍变焦版手机夺人眼球，那你想知道这其中的光学变焦技术是如何实现的么？

先来补补课，了解一下什么是焦距。

焦距是指平行光线经透镜折射或曲面镜反射后形成会焦点，焦点到镜片中心的距离。如图1所示，平行光线经双凸透镜10折射后焦点为F，焦点F到双凸透镜10中心的距离为焦距f。

图1

在照相机、摄像机、手机等的图像采集装置中，摄像头通常包括透镜和感光平面(成像平面)，图像采集装置的焦距则是指感光平面到透镜的焦点的距离，焦距的调节对图像采集装置拍照的景深及清晰度有重要影响。

目前调节焦距的方法是使用图像采集装置的内置马达推远或拉近透镜，以改变透镜和感光平面的距离，这种方法会导致图像采集装置的厚度较厚，而且由于透镜移动的距离有限，无法做到大焦距光学变焦，不能够实现景深更深、更清晰的图像采集。

OPPO在2018年5月30日向国家知识产权局递交了一个名为“图像采集装置的调节方法及终端”的专利（申请号：CN201810542925.7），该专利包括三个方面：

（一）通过调节透镜曲面的曲率调节透镜的焦距

（二）通过物理移动透镜、以及对透镜曲率的微调实现焦距调节

（三）为获得大广角而对透镜的焦距调节范围设限

下面将对上述的三个方面的内容进行介绍：

（一）通过调节透镜曲面的曲率调节透镜的焦距

该专利提供的图像采集装置包括四个部分：感光平面50、红外滤波片40、第一透镜30和第二透镜20，参见图2：

图2

需要了解的是，第一透镜30和第二透镜20都会对进入图像采集装置的镜头的光线进行折射，而决定透镜组(包括第一透镜30和第二透镜)的焦点的是与感光平面50相邻的透镜，即第一透镜30。

因此，在图像采集装置中，感光平面50到第一透镜30的焦点的距离即为图像采集装置镜头的焦距，调节图像采集装置的焦距可以通过调节第一透镜30的焦点到感光平面的距离来实现，那么第一透镜30的焦点如何调节呢？

图像采集装置中的透镜可以为凹凸透镜、平凸透镜、双凸透镜、凸凹透镜、平凹透镜、双凹透镜、液态透镜等，除了移动透镜实现焦距的调节，还可以通过调节透镜曲面曲率的方式实现调节透镜焦点的位置，需要明白的是，不同类型透镜的焦点位置调节方法不同：

（1）若第一透镜30为平凹透镜或平凹透镜，第一透镜30包括一个曲面301，设曲面301的半径为r，曲率为K，则r＝1/K。曲面301的焦距f与曲率K的关系为：

 ；其中，K为曲率，n为第一透镜30的折射率。

改变第一透镜30曲面的曲率K就可以调节曲面的焦距f。通过改变第一透镜30曲面的曲率K，使第一透镜30的焦点向远离感光平面50的方向移动距离L，这将增加图像采集装置镜头的焦距。

（2）若第一透镜30为凹凸透镜，第一透镜30包括第一曲面201和第二曲面202两个曲面，设两个曲面的曲率分别为K1和K2，两个曲面的半径分别为r1和r2，则r1＝1/K1，r2＝1/K2，则第一透镜30的焦距f凹凸与r1和r2的关系为：

；

因此，通过改变第一透镜30两个曲面的曲率就可以调节第一透镜30的焦点位置，即可以调节第一透镜30的焦距，使第第一透镜30的焦点向远离感光平面50的方向移动，从而增加图像采集装置镜头的焦距。

（3）若第一透镜30为液态透镜，则可以通过以下三种方式调节液态透镜的曲率，进而调节第一透镜30的焦距，包括：

1）在围绕第一透镜30的线圈上加电压，利用电磁场（加电压）改变第一透镜30 的曲面形状以改变曲率K，电压V与曲率K的关系为：

 ；

其中，k为不加电压时曲面的曲率，V为施加到线圈上的电压值，b为液态透镜第一透镜30或第二透镜20的电磁系数。

2）利用液泵装置注入或者抽吸第一透镜30内的液体，以改变第一透镜30的曲面形状进而改变曲率。

3）利用机械装置对第一透镜30内的液体加压，以改变第一透镜的曲面形状进而改变曲率。

当然，在调节图像采集装置的镜头焦距的过程中，除了调节第一透镜30的曲率，还可以调节任何一个或者多个第二透镜20的曲率，使这一个或多个第二透镜20与第一透镜30配合，进一步增加图像采集装置的镜头焦距调节范围。需要了解的是，多个第二透镜20的调节顺序可以是任意的。

调节第二透镜20焦点位置的过程与调节第一透镜30相似，均是调节第二透镜20一个或两个曲面的曲率，进而调节第二透镜的焦距(即焦点位置)，使第二透镜20的焦点向远离感光平面50的方向移动，增大图像采集装置的镜头焦距。

（二）通过物理移动透镜、以及对透镜曲率的微调实现焦距调节

在调节图像采集装置中透镜的焦距的过程中，必然会出现感光平面的成像模糊的问题，解决这样的问题可以通过以下技术方案实现：

请继续参见图2，在移动第一透镜30和/或第二透镜20的过程中，检测感光平面50成像的清晰度，如果当前位置的成像比前一位置的成像模糊，说明已经通过物理移动将第一透镜30和/或第二透镜20移动至初步位置，则停止移动第一透镜30和/或第二透镜20。

之后再调节第一透镜30 和/或第二透镜20的曲面曲率，以进一步精细地调节焦距。

因为物理移动速度较快，所以能够快速地将透镜移动至初步位置，透镜到达初步位置后，通过调节透镜的曲面曲率对焦距进行微调，以精细地将焦距调节至合适位置，因此，能够实现快速、精确地调节焦距。

在OPPO的该篇专利中，图像采集装置不仅仅能够通过物理移动的方式调节透镜的焦距，其还能通过调节透镜曲面曲率的方式调节透镜的焦距，这将增大图像采集装置的焦距调节范围，同时也增大图像采集装置的焦距，提高了远距离物体拍照的清晰度，实现了景深更深、更清晰的图像采集。

（三）为获得大广角而对透镜的焦距调节范围设限

随着图像采集装置镜头焦距的增大，拍摄景物的广角角度会降低，为了保证拍摄时的广角角度，设定了对透镜进行曲率调节的条件：

当图像采集装置的广角角度大于等于50度时，调节第一透镜30和/或第二透镜20的曲率以增大图像采集装置镜头的焦距， 当图像采集装置的广角角度小于50度时，不调节第一透镜和第二透镜的曲率。

毫无疑问，通过设定了对透镜进行曲率调节的条件，才能提高拍照的整体质量。

现在你是不是已经知道Reno中的光学变焦技术是如何实现的啦？