液态镜头

2022年10月31日相机镜头621阅读模式

随着手机的摄像头数量的不断增加,手机摄像头部分的设计就对品牌提出了更多的考验,尤其潜望式长焦镜头,无论是对于机身厚度的影响,还是整个摄像头模组占用的横向空间,都对手机的设计提出了更大的挑战,有产品通过创新希望解决这一问题,液体镜头就是一个发展方向,首款量产液体镜头的手机产品正是小米MIX FOLD。

液态镜头

液态镜头

液态镜头是一种使用一种或多种液体制成的无机械连接的光学元件,可以通过外部控制改变光学元件的内部参数,有着传统光学透镜无法比拟的性能。

液态镜头工作原理

步骤一

当两个水滴穿过一个圆柱形小洞,它们暴露于确定的声波频率中,该装置使用惯性和水滴的自然表面张力,使水滴形成一个“振荡器”,或类似于一种小的钟摆——水滴在非常高的速度和类似弹簧发条的作用力下往返共振。研究人员可通过将水滴暴露于不同的声波频率下可以控制其振动频率。

步骤二

当光线穿过水滴时,该装置将转换成为一个微型照相机透镜,当水滴往返穿过圆柱形小洞时,根据透镜距离拍摄物体的远近,画面将进入或脱离焦距范围。

图像拍摄将电子自动化完成,同时软件可用于自动化编辑任何未聚焦画面,从而使操作者获得清晰的图像和聚焦的视频。赫尔沙说,“这种新型照相装置最大的益处是可以通过液态透镜和小型扬声器建立一个新型光学照相系统。但在此之前未曾实现此类技术。”

步骤三

水滴大小是决定它们振荡多快速度的关键因素,赫尔沙称,提供足够小的光圈以及适合的液体体积,他将能够建立一个每秒振荡10万次的透镜,并且仍能有效地捕捉图像画面。

他指出,预计手机制造商将对这种新型照相装置产生浓厚的兴趣,手机制造商一直探索新的方法提高手机照相功能,并试图以轻重量、更节能有效的照相系统超越其他竞争者们。

同时,赫尔沙和同事们还预想小型、轻重量液态透镜照相机能够整合形成新一代的无人驾驶微型飞行器,可用于防御和国土安全应用。

液态镜头

简单来说就是透镜的介质由玻璃变为液体。更准确地来说就是一种动态调整透镜折射率或通过改变其自身曲率来改变焦距的新型光学元件,由于没有移动部件,故被称为固态AF系统。

液态镜头原理

准确地来说,液态镜头就是一种可以动态调整透镜折射率或通过改变其表面形状来改变焦距的光学元件,有着传统光学透镜无法比拟的性能。

液态镜头原理

首先,对于光学镜头的不确定性,纯电路可量化的液态镜头对焦更加准确,光学数据更精准;

液态镜头原理

其次,它可以实现几毫秒内在不同焦距的迅速转换,这无疑是自动对焦系统的理想组件。

第三,由于镜头本身没有任何移动的部件,所以它更能抵抗振动,冲击。

液态镜头原理

第四,其能够在一定程度上降低相机模组的体积和重量,也能够降低本体的重量;

第五,液态镜头由于不需要过多的玻璃镜片作为光路传输的路径,在体积缩小的同时实现一体化的设计方案;

最后,液态镜头不需要额外的机械装置让其保持聚焦状态,只需要极小的电压即可实现变焦和定焦,理论上也会更加省电一些。

液态镜头原理

就以目前的商用成果来看,液态镜头大致可分为渐变折射镜头、液态填充式镜头以及电润湿效应镜头,其中渐变折射率透镜由两个间隔器分离并密封的玻璃基板组成,中间则是液晶材料。

当电场应用于透镜时,液晶分子会改变方向,导致通过透镜的光线重新聚焦。通过管理电场和液晶分子的方向,可以塑造光束。

通过改变施加在液晶上的电压,从而来调节液晶折射率,从而实现变焦。优点是控制电压低,容易实现阵列化;缺点是焦距可调范围小、光能损失大,加上液晶会造成光学失真,成像会发生扭曲。

液态镜头原理

液体填充式透镜是通过填充和吸出液体使表面的曲率发生变化而变焦的透镜,使用机械装置对腔内液体施加压力,从而使液体在体腔内重新分配,改变曲率半径。

优点是驱动功耗小,变焦范围大、光圈大小灵活、外形是由薄膜力学性能决定的,与填充液体无关。缺点是镜头较大时对震动和重力的影响较为敏感、结构较复杂。

液态镜头原理

电润湿效应透镜是通过改变施加的电压来控制液体在固体表面上的润湿特性的液体透镜。

液态镜头原理

更准确来说,通过改变液体-固体界面的外加电压来控制液体在固体面上的润湿特性,从而改变液滴的接触角,实现如同人眼晶状体一样改变曲率实现变焦。

并且,由于施加的电压不同表面曲率会发生变化,从而也就实现无光学元件的变焦。优点是因为没有移动部件,所以响应时间短、变焦范围宽、操作便捷、集成性能好、结构简单。缺点是驱动电压高。

液态镜头原理

新特光电代理的Optotune可调焦液态镜头是基于薄聚合物薄膜技术和高性能光学流体的变形镜片,采用了第二种技术的液体填充式技术。它具备丰富的功能和小巧的外形,可在数毫秒内完成调焦。

液态镜头原理

由于不涉及平移部件,整个系统可实现紧凑、坚固的机身设计,并能达到数十亿次快速调焦,基于光反馈通过电流改变聚焦形状(曲率),从而改变其焦距,支持2.5D和3D激光处理功能,是激光处理系统实现快速Z轴调光控制的最佳之选,典型应用是3D激光扫描加工/打标。

2D普通振镜是激光器输出的光束先通过控制两片高速振镜的偏转角, 改变激光的传播方向,然后通过F-Theta场镜聚焦到扫描平面上, 在工件表面作标记。这种方式控制起来比较容易,但是扫描面积受到F-Theta场镜的限制,而且扫描平面内的每个光点的大小不一样。中间的较小,周围较大,而且容易产生枕型和腰鼓型失真。

那么为何液体镜头仍然没有普及的迹象,比如小米为何也没有推出更多搭载液体镜头的手机产品?这其中有着三方面的原因使得其无法在短时间内普及。

其一,大底主摄成为主流,潜望式长焦逐渐减少

液态镜头

首先存在的问题就是需求,如今手机厂商发布的新机中,带有潜望式长焦的手机产品数量相对较少,这背后并非厂商没有能力加入这样的高倍率长焦镜头,而是长焦镜头对于普通消费者来说的是否是必要的?

更何况如今手机厂商在主摄方面已经逐渐在布局大底主摄,更有甚者已经开始尝试1英寸大传感器,市面上就有一些产品有了不同的想法,目前高倍长焦的镜头模组都会增加手机的重量和厚度,无论是传统的潜望式长焦镜头还是新兴的液体镜头,让消费者拿在手上会丢失一定的精致感,尤其这些技术更多的是要搭载于旗舰级产品中,这部分产品设计理念更加均衡,为了需求并不突出的长焦而牺牲设计似乎并不划算。

而目前旗舰级手机的标杆iPhone依然没有加入更高倍率的长焦镜头,想必背后也有着类似的设计逻辑,需求是无穷尽的,有了3倍就想要5倍,有了5倍就想要10倍,如何满足所有的需求呢?这将是一个无底洞,就算是液态镜头,也难以满足目前市面上的所有需求,在大底主摄面前,更多增加重量和厚度的事情都成为了需求的取舍。

其二,液态镜头的画质劣势,让其定位更尴尬

液态镜头

上面第一条我们就已经讲到,如今厂商都会在做产品时进行取舍,普通消费者对于长焦的需求与设计的需求需要取舍。那么自然厂商就会针对用户的影响需求去做手机,这些产品在设计上也更能放开手脚,设计专注于影像方面,但是更让液态镜头显得比较“尴尬”。

如果产品更加专注影像方面,会更加强调画质,而液态镜头目前在画质方面仍然处于劣势,镜头对于成像的重要性不言而喻,这主要是因为其光学特性,需要更加真实、准确的光通过镜组映射到传感器上,所以镜头的透光率以及色散、反光等问题要求都非常高。

目前,手机镜头主要由树脂材质制成,主要是因为树脂比较轻盈,透光率等指标也比较不错,但相比玻璃镜片,树脂在透光率和色散色偏方面还有着一定的劣势,这也是今年有些产品,比如OPPO Find X5 Pro为何采用了一片高透玻璃镜片,就是增加透光率并且减少色散和色偏问题让色彩更加准确。

而液态镜头相对在透光率方面还有着一定差距,一方面是外部的薄膜材质影响,另一方面则是内部填充的也挺并非纯水,让其在透光率方面处于劣势,光能损失较大,杂散光多、失真成为问题。

这些缺点就成为制约液态镜头普及的最大绊脚石之一,目前需要更好长焦、微距的产品是更加注重影像系统的产品,但液态镜头却在最重要的画质上有着许多缺点,让其定位更加“尴尬”。

其三,液态镜头要求相对更高还不够成熟。

除了画质方面的尴尬,液态镜头也有着技术不成熟的尴尬,这就是小米MIX FOLD存在的问题之一,其画质除了透光率、色散等问题外,还有着更大的问题是画面的边缘画质损失大,当然这是一个行业难题,就是如何去更加精确的控制液态镜头的曲率。

液态镜头

不同于玻璃或者树脂镜头加工好之后就可以固定一个形状,只需要加工时的精度足够高就能获得好的画质,液体镜头可以变形,但是施加电压后让其变形的精度是一个难题,怎样才能精确控制液态镜头变成的形状就成为问题,其形成的曲面形状难以控制,更加贴近自然,但自然状态的形状并非一定是你需要的最理想的凸起或凹陷透镜形状,就造成了成像的差距,而目前的技术难题自然也是如何精确的控制液态镜头的形状,这将是非常复杂的问题,尤其在手机这寸土寸金的体积中难上加难。

另外,液体镜头还面临着温度的挑战,低温情况下的变焦速度已经准确度也是问题。结合这些技术本就应该放在更加专注影像方面的手机产品上,更突出了其成像问题。

液态镜头

总结,目前液态镜头没有普及主要是目前对于长焦镜头的需求变化,让更高倍数的长焦成为了专注影像的手机产品专属,但液态镜头画质的劣势以及工艺不成熟带来的种种问题成为了制约其普及的大问题,只有随着未来材料的持续革新,精细电压控制的到来,液态镜头才能迎来真正的“春天”。

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