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從原理徹底瞭解手機鏡頭：從光學結構看手機鏡頭、瞭解手機的多鏡頭配置
在手機攝影領域，除了演算法設計特點，多鏡頭的配置也是消費者與廠商們關注的課題，不過你知道為什麼手機的鏡頭是這樣設計嗎？手機的鏡頭與相機有什麼差異呢？多鏡頭的配置有什麼特點呢？利用多樣化的手機鏡頭，我們能夠做到哪些事情呢？手機鏡頭有哪些未來的設計趨勢呢？透過這篇手機鏡頭詳解，我們將帶你瞭解這些問題的原理與答案。
從光學結構看手機鏡頭 在解讀手機鏡頭之前，我們必須從焦距與光圈來瞭解手機所搭載的鏡頭與相機究竟有什麼差異，不同的焦距也會帶來截然不同的光學性質。
為什麼光圈相同，鏡頭會差這麼多？
有些人可能會覺得奇怪，智慧型照相手機的主鏡頭通常大多具備頗大的光圈值，例如廣角主鏡頭即具備f/1.5的大光圈，但相對來說，全片幅相機使用的鏡頭光圈如果要做到f/1.4，卻需要比手機鏡頭大很多的體積，這究竟是為什麼呢？首先最廣泛的說法是，手機鏡頭進光量沒有相機鏡頭這麼多，所以體積也小很多。但實際上在同樣光圈的狀況下，無論是手機鏡頭還是相機鏡頭，兩者的曝光參數都會是非常接近的，那麼究竟是什麼原因導致兩者之間巨大的差異呢？最主要還是差別在「等效焦距」與「實體焦距」的差別，以廣角主鏡頭為例，相機鏡頭的實體焦距是24-28mm，手機鏡頭的實體焦距通常僅僅只有4-6mm而已，原因是因為兩者的感光元件尺寸差異，需要涵蓋的成像圈面積有所區隔之故。
▲ 物理上的差距
手機鏡頭的光圈與相機差不多，有些甚至還比相機大，為什麼兩者的尺寸卻差這麼多呢？
手機鏡頭與相機的不同之處
光圈的定義是「焦比」，即焦距除以光通徑，光通徑可以理解成是鏡片最大開孔的直徑，雖然相機鏡頭與手機鏡頭視野相同，都是廣角焦距，但手機是等效焦距，其實體焦距遠小於相機鏡頭，在前面的光圈公式中，在光圈不變的狀況下，實體焦距越小，所需的光通徑也會越小，這也是為什麼即使光圈這麼大，但手機鏡頭卻可以做得如此之小的緣故了。因應這項特性，雖然在光圈相同的狀況下，手機與相機可以獲得幾乎相同的曝光參數，可以理解成兩者感光元件的單位面積所接收到的光線量是相同的，但由於相機的感光元件遠大於手機，所以雖然曝光值可能相同，但相機所接收到的光線總量是遠多於手機的，這也是光圈所常帶給我們的錯覺之一。
▲ 手機的相機模組
為了容納進機身，手機的相機模組必須盡可能的做到精巧化，並捨棄多餘的光學元件。
瞭解手機的多鏡頭配置 為什麼現在許多智慧型手機都採用了多鏡頭配置呢？這些鏡頭又有哪些特點呢？接下來就讓我們透過實務分析來瞭解。
▲ 往高倍率發展
近年來手機的望遠有往超望遠的趨勢發展，例如Samsung S20 Ultra就曾搭載100倍變焦鏡頭。
多鏡頭的常見佈局
目前主流的攝影手機大多是二至三鏡頭配置，除了廣角的主鏡頭之外，第二與第三鏡頭通常都是超廣角與望遠鏡頭，少部分手機會配置有特殊的鏡頭，例如顯微鏡頭、黑白鏡頭等。在焦距配置上，比較多採用主鏡頭焦距二分之一（超廣角）與主鏡頭焦距兩倍（望遠）的配置，其中一部分是源自於相機鏡頭焦距的慣例，以廣角焦距24mm為例，焦距的一半12-13mm是超廣角，而廣角焦距的兩倍48-50mm則接近所謂的「標準焦段」，常用在拍攝人像與速寫上；另一部分則是因為在手機相機上有著0.5X與2.0X這樣簡單明瞭的操作介面，對一般使用者來說更容易上手。不過，近年也流行將手機的望遠鏡頭拓展到超望遠變焦的領域，或是開始將焦距配置到經典的人像焦段85mm等等，這點我們之後會再提到。
▲ 二分之一與二倍焦距
以iPhone 13 Pro為例，其搭載的三顆鏡頭正好是超廣角13mm、廣角26mm與望遠52mm。
多鏡頭的利與弊
與相機的可換鏡系統不同，由於手機每一顆鏡頭都需要獨立運作，若它有搭載幾顆鏡頭，就會需要配備幾顆感光元件，這就導致了每顆鏡頭的表現有一定的差距，相對來說，機身也必須要容納進多組包含光學鏡片與感光元件在內的鏡頭配置，這就導致了目前主流的高階攝影手機幾乎都有突出的鏡頭模組，也很難在鏡頭部分縮減體積。不過相對來說，多鏡頭獨立運作也有不少優勢，例如在鏡頭切換上能夠做到更加順暢無縫，部分機種或是App更能夠支援多鏡頭錄影等等。也許你也遇過一種情形，就是手機的廣角主鏡頭身上具備很強的功能，例如最高的連拍速度，但在超廣角或望遠鏡頭上卻不具備這項功能的狀況，就是因為三顆鏡頭分別採用獨立感光元件的緣故。
▲ 強大的主鏡頭
許多品牌在主鏡頭都主打更強的功能，例如Xperia Pro-I就具備了高速20fps連拍與對焦運算。
手機鏡頭的景深效果 如果你曾拿相機與手機比較過，那麼會發現兩者的景深效果差異不小，但是為什麼會有這樣的差異呢？
為什麼手機的自然景深不明顯？
延續我們在之前提到的光圈與焦距問題，雖然視野相同（等效焦距相同），但手機的實體焦距是遠比相機要短的，而決定景深的三大要素分別是：攝物距離（越近景深越淺）、焦距（越長景深越淺），以及光圈（越大景深越淺），在攝物距離與光圈不變的狀況下，焦距越短，景深會顯得更深，這也是為什麼雖然焦距看起來相同，但手機景深會遠比相機要來深的原因。
▲ 手機的自然散景
雖然散景效果不如相機，但滿足一定的條件還是能做到不錯的虛化效果，例如近拍、使用光圈較大的主鏡頭。
先天缺陷就靠後天優勢克服
寫到這裡應該很多讀者會感到奇怪，「我手機上的人像與景深模式可以拍出很漂亮的散景啊？」確實，目前大部分的手機都能夠應用人像模式來拍出背景模糊、有良好散景效果的漂亮照片，但這樣的散景其實是經由演算法所運算出來的，手機利用其運算能力的優勢，很好的彌補了先天光學性能不足的劣勢，具體的運作方法是利用雷射測距測得場景主要物體的輪廓與背景的距離，再利用演算法將背景給模糊化處理，目前的手機鏡頭已可塑造出幾可亂真的景深效果。
▲ 手機的望遠鏡頭
以iPhone 13 Pro為例，雖然望遠鏡頭標示是2倍變焦（等效焦距52mm），但實際上焦距僅是6mm，是廣角鏡的1.5倍。
除了景深效果，還有這些方法
撇除手機經運算後的景深效果，還有一些方法可以獲得自然的散景，這在使用廣角主鏡頭的時候比較容易出現。聽起來很複雜，但其實只要掌握三個原則也能夠輕鬆做到，一是使用光圈最大的那顆鏡頭（通常是廣角主鏡頭），二是盡可能地拉近拍攝距離，但也別近到無法對焦，三是讓主體與背景拉開足夠的距離，有幾種情境可以滿足這樣的拍攝條件，例如近距離拍攝花草，而透過以上這些拍攝方式，任何人都能夠很簡單的拍出景深較淺、具備自然散景的照片。
▲ 景深模擬
透過演算法的運算，手機能夠做到即時散景運算，利用內建的雷射測距判斷景物距離，做出幾可亂真的效果。
計算式攝影的必要性 手機的感光元件較小，存在一定的物理限制，也因此各家廠商在計算式攝影領域求新求變，用演算法做出更種強悍的功能。
散景模擬
散景可謂是目前手機廠商的兵家必爭之地，各家手機的演算法各不相同，一部分廠商還有自家獨門的散景功能，以求能拍攝出經典鏡頭的獨特散景。以Vivo手機為例，X70 Pro就與德國光學廠蔡司合作，打造了蔡司鏡頭的模擬功能，能夠拍攝Biotar、Distagon、Sonnar、Planar四種類型的散景，分別可以讓散景的光點呈現不同程度的變化，也能夠重現老鏡的旋轉散景，藉此來滿足攝影愛好者對散景的渴望。
▲ 多樣化的散景
不只能夠做到散景模擬，有些手機還能夠做到模擬經典鏡頭的散景功能，讓攝影玩家重溫老鏡況味。
夜景長曝模式
夜景模式可以說是目前照相手機的重點功能了，透過演算法的幫助，過去手機鏡頭對低光源不利的狀況已不復見，其原理是利用短時間內多次曝光，再將照片疊合的技術，有別於以往使用相機必須使用腳架的限制，手機的夜景長曝功能可以只使用手持，不使用腳架就能夠拍出影像穩定、噪點較少、畫質更為純淨的照片，加上HDR功能，能夠將影像暗部提升、亮部抑制，藉此彌補手機感光元件動態範圍不足的缺點。
▲ 將夜景由弱項變為強項
手機具備的夜景模式，能夠大幅提升以往不易拍攝的夜景題材成功率，同時演算法也能夠讓夜景照片更好看。
動態模糊效果
使用相機拍攝運動題材時有一種手法叫做「搖攝」，偶爾也稱作追焦，是用鏡頭鎖定橫向移動的被攝物，通常是賽車做連拍，並將快門放慢，讓背景變成極具速度感的模樣。過去要使用相機拍出這樣的照片需要透過反覆的練習與足夠穩定的Pan鏡，但現在智慧型手機上也能夠利用計算式攝影做到這點，不需要反覆練習，也不需要繁複的拍攝參數設定。以Google所推出的Pixel 6 Pro為例，其搭載的「搖攝功能」就能夠自動判斷手機Pan鏡方向，並辨別主體與背景再做出搖攝效果。
▲ 搖攝功能
Google Pixel 6 Pro搭載搖攝功能，不需要透過繁複的練習與運氣就能夠拍出具備動態模糊效果的照片。
望遠鏡頭的設計原理 人們都想要看得更遠更清楚，相應而生的，就是各式各樣的望遠鏡頭就在手機上問世，這些望遠鏡頭也都分別遇到了各自的問題。
怎麼做才能看得更遠？
一般既有觀念是，望遠鏡頭大多又大又重，不僅價格昂貴，而且也很不容易使用，但是在手機上搭載的望遠鏡頭卻截然不同，這是什麼原理呢？其實手機或多或少都用了一點「偷吃步」來達到望遠效果，其一是採用較小尺寸的感光元件，因為視角被裁切了，所以視野更狹窄，等效焦距就變得更長了；其二是採用機內裁切或是數位變焦，透過演算法補差點的方式，來達到望遠效果，搭配焦距更長的鏡頭，就能夠實現相當遠的變焦效果。這兩種方法都有一定的缺點，一是感光元件較小雜訊畫質較差，二是數位變焦帶來的畫質減損。
▲ 望遠鏡頭模組
手機的望遠鏡頭不一定具備如標示變焦倍率般的焦距，大多數是加上感光元件裁切後的成果。（來源：iFixit）
望遠鏡頭有哪些種類？
除了以上採用數位變焦的望遠鏡頭之外，還有採用光學變焦的配置，那就是潛望式望遠變焦鏡頭，做法是將手機鏡片組採用橫臥的方式給容納進機身內，藉此縮減體積並容納進機身內。其實潛望式變焦早期是出現在卡片型數位相機身上（例如Sony Cyber-Shot T系列），手機方面早期有ASUS ZenFone Zoom，現在則有Sony Xperia 1 IV等機型具備潛望式變焦的配置。
▲ 潛望式變焦鏡頭
Xepria 1 IV的鏡頭將變焦鏡組採用橫臥的方式隱藏在機身內，可容納焦距較長的鏡頭，同時具備體積小的特點。
景深效果可能不如預期
需要注意的是，在傳統相機的運用上，使用焦距越長、光圈更大的鏡頭能夠獲得更好的散景效果，但這項通則在手機上不一定適用，這是因為手機的望遠鏡頭並非完全是採用更長的焦距與更大的光圈，常見的做法是用稍微長一些的焦距，搭配上較小尺寸的感光元件，藉由裁切的方式，達成更遠的等效焦距。也因此，在望遠鏡頭焦距沒有明顯增長，加上光圈通常較小的因素之下，拍攝出的自然散景可能並不一定較佳。
▲ 採用潛望式變焦的手機
在過去ASUS也曾在ZenFone Zoom身上採用過潛望式變焦設計，具備等效28-84mm的光學變焦鏡頭。
手機鏡頭的限制與突破
智慧型手機基於其物理限制，在一部分光學表現上註定與相機存在著明顯的差異，但透過各種方式，也能夠拍出比以往更出色的照片。
感光元件尺寸
受限於體積，智慧型手機目前主流的感光元件尺寸大約介於1/2.3吋至1/1.7吋之間，相較以前是大上不少，但與相機比起來仍然小很多，相對之下手機鏡頭在高感光、低光源環境下的畫質表現落差較大，過去的手機夜拍效果大多差強人意，但近年來透過演算法，已可拍出相當出色的夜景照片。其次是解析力的差異，較小的感光元件限制了光線總量，畫質表現有其限制存在，然而目前手機能夠透過「像素位移」的方式，來提升畫質或是拍攝出超高解析度的照片。
▲ 與時俱進的畫質
透過更大的感光元件、更好的光學鏡組、更優秀的演算法與像素偏移技術，現在手機拍攝的畫質已今非昔比。
超廣角性能
對相機來說，超廣角並不是一個新手能隨意觸及的領域，主要是因為超廣角鏡頭大多價格不婓，且套裝鏡組也往往沒有搭配超廣角鏡頭，但對手機來說，用超廣角拍照就像是本能一樣自然，許多手機不僅具備了超廣角鏡頭，同時還內建了變形校正功能，順手拍攝就是很漂亮的超廣角照片，同時因為實體焦距極短（約在2-3mm左右），也因此景深非常深，有些甚至不需要額外的對焦就能夠準焦拍攝，使用上的便利性尤勝過相機的超廣角鏡頭，如果不論細緻的畫質表現，在白天與光線良好的戶外條件下，手機的超廣角鏡頭可說是十分方便且出色。
▲ 輕便超廣角
手機搭載的超廣角鏡頭具備許多優勢，輕便、對焦快，而且幾乎沒有入門門檻，使用也很簡易。
微距的便利性
在相機的微距攝影領域，通常需要齊全的配備才能拍攝，例如微距鏡、補光板、閃燈，有些還需要腳架與專用雲台，在拍攝時也需要注意景深是否過淺。但對手機來說，搭載的微距鏡頭卻不需要繁複的設備，直接拿起來就可順利拍攝，且一樣具備不俗的放大倍率。當然就畫質細膩度、影像的實用性、拍攝題材的廣泛程度而言還是相機勝出，但順手可得的便利性仍然是巨大的優勢。
▲ 顯微鏡模式
隨手可得的微距功能與不錯的放大倍率，顯微鏡模式作為一個趣味功能，也有不錯的實用性。
手機鏡頭的未來與潛力 結合當今最新的影像科技所打造出的手機鏡頭，雖然具備物理限制，但透過演算能力與科技，還是有可能做到這些事情。
液態鏡頭
自小米MIX發表後，「液態鏡頭」就成為炙手可熱的話題之一。什麼是液態鏡頭呢？傳統的光學透鏡是採用玻璃或是樹脂等高透光率的復合材料打造，藉由定型的多組鏡片來成像，並利用馬達驅動鏡片組達成變焦與對焦功能。液態鏡頭則是用高透光度的液體來取代以往的鏡頭材質，並且具備可變形、自適應的特點。相較於傳統鏡頭，液態鏡頭具備體積小、構造簡單、幾乎不需要機械結構的特點，但液態鏡頭也有不少缺點，例如會受到重力影響、透光率不及傳統鏡頭、像差校正不易，技術未成熟等等，在未來若能夠將這些缺點一一克服，或許液態鏡頭也將引領下一個世代的手機鏡頭科技。
▲ 小米MIX
世界上第一款「液態鏡頭」是由小米MIX所領先搭載，能夠做到將微距鏡頭與長焦鏡頭合而為一。
光場相機
在過去曾有Lytro打造了「光場相機」，原理是利用感光元件前方的微透鏡陣列來測得被攝物的「光場」，即光的方向、顏色與強度，能夠實現先拍照再對焦的功能。必須要說明的是，這與目前相機做到的先拍照後對焦功能不同，一般做法是拍下各個焦點的所有照片，再讓使用者選擇焦點給出適合的照片，但光場相機則是透過測得的光線數據來運算，並獲得真實的照片。相對來說，智慧型手機具備強大的運算能力與雷射測距結構，理論上比傳統相機還要具備更好的光場運算條件，在未來或許也能見到這類技術的問世。
▲ Lytro
光場相機能夠記錄拍攝當下光線的方向、顏色與強度，並透過幾內運算來算出不同焦點的實際成像。
多鏡頭協同運算與運作
手機搭載多鏡頭已經是常態，我們也經常能夠看到多鏡頭協同運作的實例，例如多鏡頭無縫切換、多鏡頭錄影拍攝等。但手機擁有這麼多顆感光元件，如果在拍攝的時候能把這些感光元件所獲取的資訊給結合起來，是不是就相當於是搭載了更大尺寸的感光元件呢？諸如此類的應用也是值得我們期待的。
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