揭秘潛望式攝像頭的光學秘密！智能手機迎來光學變焦產業大變局
本文來自微信公號“智東西”（ID：zhidxcom），文 | 軒窗。
2019年，智能手機產業，一場圍繞“潛望式鏡頭”的明爭暗鬥正在愈演愈烈，這將是繼“全面屏大戰”、“AI芯片大戰”之後的，又一輪智能手機技術之戰。
3月26日，華為推出P30系列並號稱是業內首個採用潛望式攝像頭結構的手機產品。其最亮眼的設計則是採用潛望式攝像頭結構，實現了5倍光學變焦、10倍混合變焦以及50倍最大數碼變焦，可以輕鬆地拍清月亮。
而這並不是“潛望式攝像頭”在業內第一次出現。早在2017年的世界移動通信大會MWC上，OPPO就發佈了5倍無損變焦技術。在今年的MWC 2019上OPPO又展示了10倍混合光學變焦技術，在4月10號即將發佈的OPPO Reno系列將對該技術實現量產。
▲華為P30系列鏡頭
高倍光學變焦始終是智能手機攝像的需求爆點，而受限於智能手機輕薄化的趨勢，傳統攝像頭模組結構將無法滿足高倍光學變焦的要求，因此潛望式攝像頭走向了手機攝像頭的舞台，讓遠距離變焦成為了可能。
隨着國內智能手機市場趨於飽和，出貨量不斷下滑，手機攝影功能的提升將成為當下智能手機存量競爭中的創新機遇，比如多攝系統就已經成為了手機新的賣點。那麼2019年一開年就登上手機競爭舞台的潛望式攝像頭結構，將會給智能手機產業帶來怎樣的發展機會呢，智東西將在本文中為你揭秘。
一、潛望式攝像頭開啓智能手機光學變焦新時代
手機上的拍照歷史已有近20年了，期間更是經歷了像素大戰的戰火洗禮。如今高像素、光學防抖、大光圈、雙攝像頭已經成為旗艦手機的標配。而隨着用户對手機拍照能力期待更高，以及手機廠商們在光學拍照領域不斷的創新，如今3D傳感、多攝系統、潛望式高倍光學變焦已經成為了手機拍照未來創新的重點，手機拍照也向着專業相機不斷靠近。
▲通過鏡頭的移動實現光學變焦原理示意圖
鏡頭是將拍攝景物在傳感器上成像的器件，相當於相機的“眼睛”，通常由由幾片透鏡組成，光線信號通過時，鏡片們會層層過濾紅外線等雜光。因此，鏡頭片數越多，成像就越真實。為了拍清楚遠近不同距離的物體，攝像頭需要進行變焦。
通常情況下，變焦又分為數碼變焦和光學變焦兩種方式。其中數碼變焦是通過相機內的處理器，把圖片內的每個像素面積增大，從而達到放大圖像的目的；而光學變焦則是通過改變鏡片們之間的距離，進而改變鏡頭的焦距實現變焦。
智能手機由於有着便攜性的需求，業內流行輕薄化設計。因此，手機主要採用數碼變焦和低倍的光學變焦。由於手機厚度的限制，採用水平放置的手機攝像頭只能有較小的焦距，光學變焦能力非常有限。目前，採用水平放置攝像頭的智能手機中，擁有最高變焦倍數的是華為Mate20 Pro的3倍光學變焦，超過3倍的光學變焦將增大手機厚度，用户體驗變差。
隨着產業的發展，新的解決方案出現了——潛望式攝像頭結構。
這種結構區別於傳統雙攝鏡頭的並列排布，將原本豎着排放的攝像頭在手機內橫向排放，並以特殊的光學三稜鏡讓光線折射進入鏡頭組，實現成像，可以大幅度增加攝像頭的焦距。
▲OPPO潛望式攝像頭結構
OPPO是最早推出潛望式攝像頭的手機廠商，在2017年的世界移動大會MWC上OPPO首次展示了基於潛望式攝像頭結構，雙攝下的5倍無損變焦技術。在MWC 2019前夕的2019 OPPO創新大會上，OPPO首次展示了基於潛望式結構的10倍混合光學變焦技術。據OPPO稱，其投入了超過200人規模的研發團隊，佈局了100多項研發專利，從馬達、稜鏡、模組、算法等各方面打磨和驗證，100%自定義模組實現這一技術。在OPPO即將發佈的新品牌Reno上，這項新技術將得到應用。
▲華為P30系列的鏡頭組結構圖
在華為和OPPO的潛望式攝像頭手機都已箭在弦上的同時，小米也被爆出在研發潛望式鏡頭的產品，但是進度沒華為和OPPO那麼快。有網友爆料稱小米的潛望式鏡頭是與歐菲科技聯手合作的方案。
有業內人士認為，除了變焦拍攝，潛望式攝像頭具有一個潛在功能——將前置攝像頭與後置攝像頭合併。這種設想認為，如果使稜鏡可以沿機身橫向軸轉動180°，那麼稜鏡將可以把手機前面的光線反射進感光器，實現前向攝像，轉回原來的方向就是後向攝像。不過，從目前看來，潛望式攝像頭結構中稜鏡的穩定性問題尚未解決，將前後置攝像頭進行合併的可行性還有待驗證。
二、潛望式攝像頭結構的研發難點
潛望式攝像頭核心難點在於，其中新增的玻璃材質轉向稜鏡將帶來一系列的連鎖反應，包括跌落穩定性、鏡片數量瓶頸、算法優化等。這將會給光學鏡頭以及攝像頭模組企業帶來新的挑戰和機遇。
首先，對於光學鏡頭企業，潛望式鏡頭新增的1-2塊玻璃材質轉向稜鏡，過去手機鏡頭多是塑膠鏡頭，因此潛望式鏡頭將會要求手機鏡頭企業具備玻璃光學元件的設計與製造能力。此外，潛望式鏡頭還將打開單個鏡頭鏡片數量的空間，未來7p、8p鏡頭都將不受手機厚度的限制。
其次，對於攝像頭模組企業，新增的玻璃轉向稜鏡會導致潛望式攝像頭的跌落穩定性遠不如傳統攝像頭，這對模組廠的組裝能力會提出嚴苛的要求。複雜的攝像頭組件還會對模組廠的算法以及設備提出新的要求。
在專利方面，舜宇光學、華為、信利光電、亞洲光學(台灣)、水晶光電、歐菲科技已公開的有權或在審潛望式專利分別為9、6、5、4、3、2件，這些還只是公開專利的情況，很多研究中的未形成專利不算在內。其中，各個公司的潛望式攝像頭模組零部件組成大同小異，均包括濾光片、鏡頭組、音圈馬達、反射稜鏡組以及感光芯片，各家公司的潛望式攝像頭差異在結構的設計上。
隨着潛望式攝像頭在智能手機中的加速滲透，頭部供應商將會繼續提升在高端智能手機中的佔有率，在塑膠鏡片、玻璃光學元件以及光學領域有長期佈局的相關產業鏈公司會進一步受益。比如舜宇光學科技、大立光、水晶光電、歐菲科技等核心供應鏈玩家。
PChome智能移動主編張楠告訴智東西，潛望式攝像頭最關鍵的難點在於反射稜鏡的設計，其中折射透光率、防抖設計是兩個至關重要的難點。華為和OPPO分別採用了不同的供應商方案，華為採用舜宇的解決方案，OPPO則採用了另外一家的解決方案，不知道其採用的是水晶光電還是歐菲科技的產品。不過，水晶光電曾在1月份宣稱其用於潛望式攝像頭的稜鏡產品已小批量出貨。
有意思的是，在2017年OPPO推出5倍光學變焦技術，當時就是和舜宇進行的合作，而這次華為卻牽手舜宇，OPPO則轉向其他家。張楠還提到，目前在反射稜鏡生產方面，只有這兩家供應商做的最好。華為和OPPO分別和這兩家簽署了協議，至少未來一年內，華為和OPPO兩家將在潛望式攝像頭領域壟斷。
三、潛望式攝像頭產業鏈機遇與挑戰並存
相比於傳統的雙攝攝像頭組，潛望式攝像頭架構需要增加一組鏡片和折射鏡頭，這也將給整個攝像頭產業鏈帶來新的市場空間。
在手機攝像頭領域，作為核心元器件的光學鏡頭，其設計和製造難度都較大。手機攝像頭主要由光學鏡頭（Lens）、音圈馬達（VCM）、紅外濾光片（IRCF）、圖像傳感器（Sensor）等組成。其中，光學鏡頭的設計以及傳感器尺寸都決定着手機攝像頭的拍照能力。
光學鏡頭的主要作用就是利用光的折射和反射原理，蒐集被拍攝物體的反射光並將其聚集於圖像傳感器上。光學鏡頭具有非常高的技術難度，主要在於設計和製造環節，目前能大批量穩定生產高品質鏡頭的廠商較為稀少。
在設計方面，由於技術門檻較高，一些經驗豐富的老廠有着較強優勢。比如，華為與萊卡進行的合作，萊卡幫助華為改善鏡頭的光學設計。在製造方面，鏡片生產良率和一致性非常關鍵，模具、成型、組裝等環節對於生產精度都有非常高的要求，任何一個環節出現差錯都會對最後的成像效果產生較大影響。
▲2017 年各手機鏡頭廠商的市場份額
在手機鏡頭產業鏈中，台灣大立光是最早開始進行塑膠鏡頭研究的廠商之一，積累了近20年的經驗，其鏡頭品質和生產良率在業內首屈一指，在業內處於領導地位，2017年佔據着24.3%的市場份額。
在CMOS圖像傳感器領域，索尼、三星在業內一直處於領先地位。據知名市場調研和戰略諮詢公司Yole統計，2017年全球139億美元的CMOS圖像傳感器市場中，索尼佔據了42%的市場份額，三星電子以18%位列第二、豪威科技市場份額12%排名第三，遠超其他廠商。
攝像頭模組是把將各部分零組件整合到一起後的器件，這個領域的技術壁壘不高，這也導致國內手機攝像頭模組市場比較分散。根據旭日產研的數據顯示，歐菲科技在2017年國內手機攝像頭模組市場排名第一，但其所佔份額也僅為11%。此外，舜宇、丘鈦、信利、光寶、合力泰等也是攝像頭模組供應鏈上的玩家，但市場份額均只有個位。
由於智能手機沒有足夠的深度容納長焦鏡頭組件，在機身輕薄化的趨勢下，潛望式將攝像頭從高度放置轉為垂直或橫置的方式，從而來達到長焦鏡頭與輕薄機身共存的目的，所以如果想要達到5倍以上光學變焦將無法避免潛望式攝像頭方案。
四、潛望式攝像頭開啓2019年智能手機新風潮
雖然智能手機出貨量已經飽和，未來增長空間有限，但是手機攝像頭創新依舊如火如荼。近兩年，多攝系統將會在高端智能手機中進一步滲透，其中高端攝像頭如潛望式攝像頭，3D攝像頭，大尺寸CMOS攝像頭等。
長遠來看，智能手機與單反相機巨大的照相性能差距，將會推動手機攝像頭行業持續發展。就如今興起的潛望式攝像頭來説，據國金證券研究所預計，2020年潛望式攝像頭的市場規模就將有望超過26億美元。
雖然，手機攝像頭代替不了單反相機，但性能會向單反靠攏。相比於單反相機，手機攝像頭的短板在於圖像傳感器(CMOS Image Sensor，CIS)尺寸和變焦能力兩大方面。CIS尺寸越大，對進入攝像頭的光線的信息捕捉的越多，對相片的還原效果就越好。
在變焦領域，為了追求更高倍數的光學變焦，鏡頭組的光路設計將會更加複雜。從目前來看，潛望式攝像頭將成為智能手機實現高倍光學變焦的必經之路。目前的變焦主要是依靠2-3個定焦鏡頭的配合，其中最重要的是長焦鏡頭。變焦倍數越高，長焦攝像頭的高度越高，智能手機的厚度不足以支持高倍長焦攝像頭的高度，而潛望式攝像頭是解決這個問題最為直接有效的方法。
在應用領域，隨着華為、OPPO、vivo等頭部手機廠商在手機變焦能力上的出現來更高追求，將帶動智能手機行業拍照能力的整體提升，作為高倍變焦必經之路的潛望式結構，其市場滲透率將進一步提升。有數據預測，2019年華為潛望式攝像頭出貨量將佔比48.4%，OPPO和vivo則分別為27.8%和23.8%。
不過，潛望式攝像頭也將帶來產業鏈內新的產業格局。不斷加快的智能手機攝像頭創新節奏，以及全方位的照相功能創新，都對相關產業鏈企業的技術開發以及儲備能力提出新的要求。從目前的競爭形勢來看，未來攝像頭模組和手機鏡頭小廠在競爭中將無法投入更多的資源來開發前沿技術，市場份額會進一步向着頭部企業集中。行業龍頭企業具備領先於競爭對手的規模優勢，技術能力以及客户資源，在下半場的競爭中佔據得天獨厚的優勢。
如果從應用角度來看，潛望式結構的引入其實並未大幅度提升手機拍照性能。正如當年的全面屏一樣，雖然小米率先打出了全面屏的概念，但最後全面屏方案在業內全面開花，並沒有哪家企業做得更優秀之分。潛望式攝像頭結構也是如此，華為和OPPO作為先行者，拉開了潛望式結構產業競爭開始的序幕，未來圍繞手機拍照能力的創新和競爭將更加激烈。
結語：攝影能力將成智能手機競爭焦點
在手機進入存量市場之後，智能手機廠商在不斷推出新的創新內容以刺激用户換機，無論是前兩年打的火熱的全面屏、多攝系統，還是今年以來的摺疊屏、5G等新興概念，都在成為智能手機市場競爭的熱點。
智能手機作為最廣泛的消費類電子產品，其功能正在增多和強化，而拍照能力始終是手機創新的一個重要方向。在頭部企業的帶動下，多攝像頭和潛望式攝像頭將有望成為2019年智能手機創新的重頭戲。
在智能手機硬件創新和競爭不斷加劇的同時，產業鏈新的機會也已來臨，新的行業洗牌期也已來臨。