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华为为啥追求最大一英寸光圈?全网最全的手机光圈知识解析

时间:2024-07-05 10:10:47 来源:

导语:

光圈值非常有用,例如这次的华为 Ultra就把一英寸超大底传感器的镜头光圈最大值做到了F/1.6,这比之前号称最大一英寸光圈(F/1.63)的小米14 Ultra大了约4%。

单说光圈方面的差异其实很小,但华为这边还为一英寸传感器定制了RYYB阵列——从而继续带来了40%的进光量增益!也就是说华为这边的总进光量优势达到了约45%!

同为一英寸,为啥华为要追求这种进光量方面的“遥遥领先”呢?还有华为到底是怎么做到这个最大一英寸主摄光圈的?这期就来好好地解析手机光圈知识,顺带将可变光圈给讲明白。

1,什么是光圈

关于光圈,大家所熟悉的索尼大法师给出了如上图所示之定义,而这就是对于光圈最简单的文字定义,至于手机端最常见之光圈值则是通过以下计算关系得出的。

等效系数求法:通过将全画幅传感器的对角线数值43.3,除以手机传感器之对角线数值得到。那么手机传感器的对角线该怎么算呢?这个由于历史原因,得分两种情况。

首先大于或等于1/2英寸的传感器,对角线长度通过16mm乘以传感器尺寸算;至于那些小于1/2英寸的传感器,其对角线长度则通过18mm乘以传感器尺寸计算。

例如,努比亚Z50S Pro的主摄传感器为,拍照时的裁切画幅为1/1.56英寸,故其拍照画幅对角线长度为16/1.56=10.26mm,等效全画幅的系数则为43.3/10.26=4.22。

通过上图可知努比亚Z50S Pro的主摄通光孔径为5.21mm,结合其35mm主摄等效焦距,那么其主摄光圈值便为 F /(35÷4.22÷5.21)=F/1.59,这便是用户所看到的光圈值。

综上所述,镜头传感器的底越大则等效系数越小,这就可以完美解释,随着传感器变大光圈值会相应变小的现象了。但是别忘了影响光圈值的,还有镜头焦距和通光孔径这两个因素。

但是,传感器不断变大是没法阻止的趋势,而主摄焦距不断缩短也有个头——毕竟再缩下去就变成超广角了,于是增大通光孔径这个方案,便成了最有效的“大力出奇迹”大光圈路线。

2,大光圈有啥用

光圈最直接的用处就是控制进光量,但由于传感器差异因素这个进光量比较很多时候单凭光圈值并不能搞定——还得考虑传感器默认输出的像素尺寸因素,下面以实际例子来说明。

例如 Ultra主摄默认四合一输出3.2微米像素尺寸,而 Pro Max的则为2.44微米,结合两者光圈值F/1.6和F/1.78,以及RYYB的1.4倍加成,便可得出以下计算式:

(3.2² / 1.6²)÷(2.44² / 1.78²)× 1.4 -1 ≈ 1.98

这个计算结果乘以100%后,便是和下图*信息所示的一样,进光量直接增加了198%!说得更直白点就是华为主摄的进光量,可以顶三个果子主摄的进光量!

最后问题就变成了,进光量大有啥用呢?这方面最直接的影响,就是可以缩短快门时间——即以更短时间完成同样的曝光,从而解决拍摄高速运动物体容易糊的问题。

此外在暗光环境下,更大进光量还可以用更低的ISO完成同样时间之曝光,从而获得更为纯净的高信噪比成像。这就是光圈、快门、感光度之间的联系,三者共称为“曝光三要素”。

具体原理如下图所示,拍摄物体的景深与镜头后面的焦平面焦深成正关联。也正是因此,影响景深的指标不单止光圈,镜头的焦距越长或者拍摄的距离越近,那么景深就越浅。

3,小光圈有啥用

看起来大光圈好像优点很明显,这是不是说明,手机主摄光圈可以无脑做大呢?很遗憾,世事到头来还是逃不开一个“鱼与熊掌”的取舍关系,因为小光圈这玩意也有好处!

最简单的,既然大光圈的景深浅,那么反过来就是小光圈的景深深,换言之就是其拥有背景清晰的优势。例如拍文档、合影的时候,要求全景都拍清楚,这时候就是小光圈更好用了。

到了快门时间这块,小光圈反过来又可以获得“慢速快门”的玩法,例如拍摄车流、星轨等需要超长曝光的题材时,小光圈就可以避免过曝。附带的,小光圈还能带来拍“星芒”的玩法。

此外,在镜头光学设计这块小光圈也有其独特的优势,因为其可以让光线尽量从成像素质更好的镜组中心通过,所以就能够减轻离轴光线对成像的负面影响。

这里小光圈所减轻的成像负面影响,主要包括球差和慧差这两种常见的像差现象。

如下图所示,球差说的是直透镜组的光线不能汇聚于一个焦点上而产生的像差,而慧差说的则是斜射光线通过镜组后不能汇聚于同一焦点而产生的像差。

当然光圈也不能太小,不然衍射现象就会很棘手;一般来说当明显的衍射条纹超过一个像素的尺寸时,输出画质就会明显下降,而这对于像素尺寸偏小的手机传感器来说就很敏感了。

综合大光圈和小光圈的优缺点,就可以根据不同拍摄场景调整可变光圈相机镜头的挡位,从而更好地完成各种成像输出。

那么对于不能调节镜头光圈值的手机来说,又该如何确定对应的光圈值呢?结合手机厂商们的主摄光圈演进情况来看,确实是没有做到上限值,而是在取甜点值的道路上将光圈做大。

4,可变光圈双全法

上图所示的小米14主摄光圈值F/1.6就是所谓的“甜点值”,之所以说其没有做到上限,是因为小米14 Pro在同样镜头焦距和同款传感器的情况下,将可变光圈最大值做到了F/1.42。

这样重点就来到了,华为所开创的十档可变光圈技术。熟悉相机摄影的朋友,可能会觉得华为把“挡”打成了“档”,实际上华为的所谓“十档”可以理解为“十段”,而并非整挡的光圈值。

像F/1.4到F/2.0这种进光量减少一半的,就是所谓之一整挡光圈递进;而华为的一档如下图所示却并非整挡的递进关系,而是将覆盖F/1.4到F/4.0的四个整数挡位分为了十段。

实际上早在诺基亚N86时代,就有了F/2.4、F/3.2、F/4.8三档可变光圈技术,但那是为了搭配其1/1000s机械快门而引入的,这种小光圈组合可以保证其在强光下成像不会过曝。

至于后来三星的F/1.5、F/2.4两档可变光圈,实际应用其实很不错,因为F/1.5光圈值可以保证暗光画质,而F/2.4光圈值则可以保证逆光画质。

但后面随着大底传感器的引入、HDR技术的突飞猛进、镜头光学素质的进步、机身内部空间的压挤,可变光圈设计就被舍弃了。也就是说,之前的可变光圈技术,只是一种过渡方案。

三星S9的可变光圈方案

但是,华为首创的这种十档可变光圈技术,却将光圈值变化范围最大程度地拓展了。

后面华为又将孔径做成类圆形(第二代技术),这样就能获得好看柔和的圆形散景光斑了。

总结:

手机传感器越大、镜头焦距越长则光圈越难做大,所以在手机主摄传感器不断变大的趋势中为了做大光圈焦距开始缩短,但最有效的大光圈方案还是通过增大通光孔径实现。

由于手机镜头光圈是通过等效焦距和通光孔径比值算出来的,所以通过结合默认输出的传感器像素尺寸因素,便可求得对应的进光量。

大光圈优点——充沛进光量可以带来更高的快门速度,有利于抓拍;也可以用更低的ISO曝光,有利于暗光画质;还可获得浅景深的自然光线背景虚化,有利于人像特写。

小光圈优点——由于其没有进光量优势,故有利于拍摄慢门作品;又由于其能获得深景深的全景清晰成像,所以就有利于文档和合影拍照;顺带,还能获得星芒玩法。

最后,因为其有收束光线的作用,所以对于大光圈所头疼的慧差光学现象,就可以得到明显改善;至于球差光学现象,随着非球面镜片的普及,小光圈的改善作用已不再明显。

可变光圈优点——可以一步到位直接将最大光圈值做到镜头所支持的上限,搭配一系列实用的常用光圈值组合,便可兼顾适合大、中、小光圈的各种对应场景。

小知识:

1,全画幅传感器的对角线——可以通过其长宽“36×24”以及“勾股定理”来求,最终数值便是约为43.2666,进一步则约为43.3mm。

2,光学优先——可变光圈虽好但镜头光学素质更为重要,所以对于镜组素质不一样的机型,没法用是否具备可变光圈来区分优劣。

拓展阅读:

索尼和三星的CIS技术总结——手机CMOS传感器知识(完结篇)

END

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