揭秘潜望式摄像头的光学秘密！智能手机迎来光学变焦产业大变局
本文来自微信公号“智东西”（ID：zhidxcom），文 | 轩窗。
2019年，智能手机产业，一场围绕“潜望式镜头”的明争暗斗正在愈演愈烈，这将是继“全面屏大战”、“AI芯片大战”之后的，又一轮智能手机技术之战。
3月26日，华为推出P30系列并号称是业内首个采用潜望式摄像头结构的手机产品。其最亮眼的设计则是采用潜望式摄像头结构，实现了5倍光学变焦、10倍混合变焦以及50倍最大数码变焦，可以轻松地拍清月亮。
而这并不是“潜望式摄像头”在业内第一次出现。早在2017年的世界移动通信大会MWC上，OPPO就发布了5倍无损变焦技术。在今年的MWC 2019上OPPO又展示了10倍混合光学变焦技术，在4月10号即将发布的OPPO Reno系列将对该技术实现量产。
▲华为P30系列镜头
高倍光学变焦始终是智能手机摄像的需求爆点，而受限于智能手机轻薄化的趋势，传统摄像头模组结构将无法满足高倍光学变焦的要求，因此潜望式摄像头走向了手机摄像头的舞台，让远距离变焦成为了可能。
随着国内智能手机市场趋于饱和，出货量不断下滑，手机摄影功能的提升将成为当下智能手机存量竞争中的创新机遇，比如多摄系统就已经成为了手机新的卖点。那么2019年一开年就登上手机竞争舞台的潜望式摄像头结构，将会给智能手机产业带来怎样的发展机会呢，智东西将在本文中为你揭秘。
一、潜望式摄像头开启智能手机光学变焦新时代
手机上的拍照历史已有近20年了，期间更是经历了像素大战的战火洗礼。如今高像素、光学防抖、大光圈、双摄像头已经成为旗舰手机的标配。而随着用户对手机拍照能力期待更高，以及手机厂商们在光学拍照领域不断的创新，如今3D传感、多摄系统、潜望式高倍光学变焦已经成为了手机拍照未来创新的重点，手机拍照也向着专业相机不断靠近。
▲通过镜头的移动实现光学变焦原理示意图
镜头是将拍摄景物在传感器上成像的器件，相当于相机的“眼睛”，通常由由几片透镜组成，光线信号通过时，镜片们会层层过滤红外线等杂光。因此，镜头片数越多，成像就越真实。为了拍清楚远近不同距离的物体，摄像头需要进行变焦。
通常情况下，变焦又分为数码变焦和光学变焦两种方式。其中数码变焦是通过相机内的处理器，把图片内的每个像素面积增大，从而达到放大图像的目的；而光学变焦则是通过改变镜片们之间的距离，进而改变镜头的焦距实现变焦。
智能手机由于有着便携性的需求，业内流行轻薄化设计。因此，手机主要采用数码变焦和低倍的光学变焦。由于手机厚度的限制，采用水平放置的手机摄像头只能有较小的焦距，光学变焦能力非常有限。目前，采用水平放置摄像头的智能手机中，拥有最高变焦倍数的是华为Mate20 Pro的3倍光学变焦，超过3倍的光学变焦将增大手机厚度，用户体验变差。
随着产业的发展，新的解决方案出现了——潜望式摄像头结构。
这种结构区别于传统双摄镜头的并列排布，将原本竖着排放的摄像头在手机内横向排放，并以特殊的光学三棱镜让光线折射进入镜头组，实现成像，可以大幅度增加摄像头的焦距。
▲OPPO潜望式摄像头结构
OPPO是最早推出潜望式摄像头的手机厂商，在2017年的世界移动大会MWC上OPPO首次展示了基于潜望式摄像头结构，双摄下的5倍无损变焦技术。在MWC 2019前夕的2019 OPPO创新大会上，OPPO首次展示了基于潜望式结构的10倍混合光学变焦技术。据OPPO称，其投入了超过200人规模的研发团队，布局了100多项研发专利，从马达、棱镜、模组、算法等各方面打磨和验证，100%自定义模组实现这一技术。在OPPO即将发布的新品牌Reno上，这项新技术将得到应用。
▲华为P30系列的镜头组结构图
在华为和OPPO的潜望式摄像头手机都已箭在弦上的同时，小米也被爆出在研发潜望式镜头的产品，但是进度没华为和OPPO那么快。有网友爆料称小米的潜望式镜头是与欧菲科技联手合作的方案。
有业内人士认为，除了变焦拍摄，潜望式摄像头具有一个潜在功能——将前置摄像头与后置摄像头合并。这种设想认为，如果使棱镜可以沿机身横向轴转动180°，那么棱镜将可以把手机前面的光线反射进感光器，实现前向摄像，转回原来的方向就是后向摄像。不过，从目前看来，潜望式摄像头结构中棱镜的稳定性问题尚未解决，将前后置摄像头进行合并的可行性还有待验证。
二、潜望式摄像头结构的研发难点
潜望式摄像头核心难点在于，其中新增的玻璃材质转向棱镜将带来一系列的连锁反应，包括跌落稳定性、镜片数量瓶颈、算法优化等。这将会给光学镜头以及摄像头模组企业带来新的挑战和机遇。
首先，对于光学镜头企业，潜望式镜头新增的1-2块玻璃材质转向棱镜，过去手机镜头多是塑胶镜头，因此潜望式镜头将会要求手机镜头企业具备玻璃光学元件的设计与制造能力。此外，潜望式镜头还将打开单个镜头镜片数量的空间，未来7p、8p镜头都将不受手机厚度的限制。
其次，对于摄像头模组企业，新增的玻璃转向棱镜会导致潜望式摄像头的跌落稳定性远不如传统摄像头，这对模组厂的组装能力会提出严苛的要求。复杂的摄像头组件还会对模组厂的算法以及设备提出新的要求。
在专利方面，舜宇光学、华为、信利光电、亚洲光学(台湾)、水晶光电、欧菲科技已公开的有权或在审潜望式专利分别为9、6、5、4、3、2件，这些还只是公开专利的情况，很多研究中的未形成专利不算在内。其中，各个公司的潜望式摄像头模组零部件组成大同小异，均包括滤光片、镜头组、音圈马达、反射棱镜组以及感光芯片，各家公司的潜望式摄像头差异在结构的设计上。
随着潜望式摄像头在智能手机中的加速渗透，头部供应商将会继续提升在高端智能手机中的占有率，在塑胶镜片、玻璃光学元件以及光学领域有长期布局的相关产业链公司会进一步受益。比如舜宇光学科技、大立光、水晶光电、欧菲科技等核心供应链玩家。
PChome智能移动主编张楠告诉智东西，潜望式摄像头最关键的难点在于反射棱镜的设计，其中折射透光率、防抖设计是两个至关重要的难点。华为和OPPO分别采用了不同的供应商方案，华为采用舜宇的解决方案，OPPO则采用了另外一家的解决方案，不知道其采用的是水晶光电还是欧菲科技的产品。不过，水晶光电曾在1月份宣称其用于潜望式摄像头的棱镜产品已小批量出货。
有意思的是，在2017年OPPO推出5倍光学变焦技术，当时就是和舜宇进行的合作，而这次华为却牵手舜宇，OPPO则转向其他家。张楠还提到，目前在反射棱镜生产方面，只有这两家供应商做的最好。华为和OPPO分别和这两家签署了协议，至少未来一年内，华为和OPPO两家将在潜望式摄像头领域垄断。
三、潜望式摄像头产业链机遇与挑战并存
相比于传统的双摄摄像头组，潜望式摄像头架构需要增加一组镜片和折射镜头，这也将给整个摄像头产业链带来新的市场空间。
在手机摄像头领域，作为核心元器件的光学镜头，其设计和制造难度都较大。手机摄像头主要由光学镜头（Lens）、音圈马达（VCM）、红外滤光片（IRCF）、图像传感器（Sensor）等组成。其中，光学镜头的设计以及传感器尺寸都决定着手机摄像头的拍照能力。
光学镜头的主要作用就是利用光的折射和反射原理，搜集被拍摄物体的反射光并将其聚集于图像传感器上。光学镜头具有非常高的技术难度，主要在于设计和制造环节，目前能大批量稳定生产高品质镜头的厂商较为稀少。
在设计方面，由于技术门槛较高，一些经验丰富的老厂有着较强优势。比如，华为与莱卡进行的合作，莱卡帮助华为改善镜头的光学设计。在制造方面，镜片生产良率和一致性非常关键，模具、成型、组装等环节对于生产精度都有非常高的要求，任何一个环节出现差错都会对最后的成像效果产生较大影响。
▲2017 年各手机镜头厂商的市场份额
在手机镜头产业链中，台湾大立光是最早开始进行塑胶镜头研究的厂商之一，积累了近20年的经验，其镜头品质和生产良率在业内首屈一指，在业内处于领导地位，2017年占据着24.3%的市场份额。
在CMOS图像传感器领域，索尼、三星在业内一直处于领先地位。据知名市场调研和战略咨询公司Yole统计，2017年全球139亿美元的CMOS图像传感器市场中，索尼占据了42%的市场份额，三星电子以18%位列第二、豪威科技市场份额12%排名第三，远超其他厂商。
摄像头模组是把将各部分零组件整合到一起后的器件，这个领域的技术壁垒不高，这也导致国内手机摄像头模组市场比较分散。根据旭日产研的数据显示，欧菲科技在2017年国内手机摄像头模组市场排名第一，但其所占份额也仅为11%。此外，舜宇、丘钛、信利、光宝、合力泰等也是摄像头模组供应链上的玩家，但市场份额均只有个位。
由于智能手机没有足够的深度容纳长焦镜头组件，在机身轻薄化的趋势下，潜望式将摄像头从高度放置转为垂直或横置的方式，从而来达到长焦镜头与轻薄机身共存的目的，所以如果想要达到5倍以上光学变焦将无法避免潜望式摄像头方案。
四、潜望式摄像头开启2019年智能手机新风潮
虽然智能手机出货量已经饱和，未来增长空间有限，但是手机摄像头创新依旧如火如荼。近两年，多摄系统将会在高端智能手机中进一步渗透，其中高端摄像头如潜望式摄像头，3D摄像头，大尺寸CMOS摄像头等。
长远来看，智能手机与单反相机巨大的照相性能差距，将会推动手机摄像头行业持续发展。就如今兴起的潜望式摄像头来说，据国金证券研究所预计，2020年潜望式摄像头的市场规模就将有望超过26亿美元。
虽然，手机摄像头代替不了单反相机，但性能会向单反靠拢。相比于单反相机，手机摄像头的短板在于图像传感器(CMOS Image Sensor，CIS)尺寸和变焦能力两大方面。CIS尺寸越大，对进入摄像头的光线的信息捕捉的越多，对相片的还原效果就越好。
在变焦领域，为了追求更高倍数的光学变焦，镜头组的光路设计将会更加复杂。从目前来看，潜望式摄像头将成为智能手机实现高倍光学变焦的必经之路。目前的变焦主要是依靠2-3个定焦镜头的配合，其中最重要的是长焦镜头。变焦倍数越高，长焦摄像头的高度越高，智能手机的厚度不足以支持高倍长焦摄像头的高度，而潜望式摄像头是解决这个问题最为直接有效的方法。
在应用领域，随着华为、OPPO、vivo等头部手机厂商在手机变焦能力上的出现来更高追求，将带动智能手机行业拍照能力的整体提升，作为高倍变焦必经之路的潜望式结构，其市场渗透率将进一步提升。有数据预测，2019年华为潜望式摄像头出货量将占比48.4%，OPPO和vivo则分别为27.8%和23.8%。
不过，潜望式摄像头也将带来产业链内新的产业格局。不断加快的智能手机摄像头创新节奏，以及全方位的照相功能创新，都对相关产业链企业的技术开发以及储备能力提出新的要求。从目前的竞争形势来看，未来摄像头模组和手机镜头小厂在竞争中将无法投入更多的资源来开发前沿技术，市场份额会进一步向着头部企业集中。行业龙头企业具备领先于竞争对手的规模优势，技术能力以及客户资源，在下半场的竞争中占据得天独厚的优势。
如果从应用角度来看，潜望式结构的引入其实并未大幅度提升手机拍照性能。正如当年的全面屏一样，虽然小米率先打出了全面屏的概念，但最后全面屏方案在业内全面开花，并没有哪家企业做得更优秀之分。潜望式摄像头结构也是如此，华为和OPPO作为先行者，拉开了潜望式结构产业竞争开始的序幕，未来围绕手机拍照能力的创新和竞争将更加激烈。
结语：摄影能力将成智能手机竞争焦点
在手机进入存量市场之后，智能手机厂商在不断推出新的创新内容以刺激用户换机，无论是前两年打的火热的全面屏、多摄系统，还是今年以来的折叠屏、5G等新兴概念，都在成为智能手机市场竞争的热点。
智能手机作为最广泛的消费类电子产品，其功能正在增多和强化，而拍照能力始终是手机创新的一个重要方向。在头部企业的带动下，多摄像头和潜望式摄像头将有望成为2019年智能手机创新的重头戏。
在智能手机硬件创新和竞争不断加剧的同时，产业链新的机会也已来临，新的行业洗牌期也已来临。