手机潜望长焦镜头反射方案

一、从“拍得到”到“拍得清”：我们为何需要长焦？

当下智能手机的摄影能力早已成为核心卖点之一。从主摄、超广角到长焦，手机镜头组不断丰富，试图覆盖更全面的拍摄场景。但随着场景的深入，一个核心需求愈发凸显：如何将远处的景物清晰地拉近到眼前？无论是记录孩子的舞台表演、捕捉球场上的精彩瞬间，还是在不打扰野生动物的情况下进行拍摄，亦或是亲临演唱会现场远远的拍摄舞台人物，我们都需要一颗强大的长焦镜头。

它解决的不仅仅是“放大”的问题，更是“无损变焦”的体验。通过光学变焦获得的画面，其细节、信噪比和画质纯粹度，是任何数码裁剪放大（数码变焦）都无法比拟的。长焦，成为了旗舰手机影像能力的分水岭。这或许就是长焦出现的背景，也是出现的动力。

同时在此简单简述下当前手机镜头的焦距分类及应用场景：

图1-手机镜头分类

求驱动：智能手机已经成为绝大多数人的唯一相机。用户的创作需求不再局限于“拍得到”，更追求“拍得好”、“拍得远”。旅游、看演出、拍孩子运动会等场景，对长焦的需求是真实存在的。

l计算摄影的弥补：手机通过多帧合成、AI增强等算法，弥补了小传感器和小光圈在画质（尤其是暗光长焦）上的先天不足，图像质量相比大大提升，让“可用”的长焦变成了“好用”的长焦。

l结构创新：潜望式结构的普及是决定性因素。它解决了手机轻薄化与长焦物理焦距要求之间的矛盾，让手机内部能塞下光程更长的镜头模组。

营销亮点：在主摄和超广角素质陷入瓶颈后，长焦，特别是高倍数的变焦能力，成为了厂商最直观、最易宣传的差异化卖点（如“100倍变焦”），当然在专业的同行还是可以看到这种市面宣传的8X，10X变焦，其实并非真正的变焦，只是长焦镜头配合主摄及广角镜头几个离散的焦距，构成的变倍，仅仅是在几个离散的焦距实现真正的光学变焦，光学清晰，其他的是结合软件构成的数码变焦，进行裁剪，其图像清晰度，噪点，画质还是有本质不同。这对于厂商是噱头，是否真正的需求还是看个人。

手机上的光学变焦，其实严格起来应该叫“模拟光学变焦”或者“光学定焦”，因为手机上的镜头大多数是不能伸缩，或移动镜片来实现光学变焦，而是通过不同焦段镜片的“接力”切换来实现（小米12S UItea、华为Mate 50 Pro等机型例外）比如：手机上分别有24mm、50mm和120mm的三个镜片在一起，中间没有的焦段靠数码变焦剪裁实现，于是就能模拟24-120mm的变焦过程了，也就可以对外宣称“5倍光学变焦”。

先欣赏几组长焦手机镜头的图片，感受下科技之美。

图1-1-Vivo X200 Pro长焦镜头拍摄

图1-2-Vivo X200 Pro长焦拍摄

图1-3-OPPO Find X7 Ultra长焦拍摄

图1-3-XiaoMi 12S Ultra长焦拍摄

业“长枪大炮”的意义类比

意义在于“Always with You”（永远在身边）

专业性 vs. 便携性：专业相机和超长焦镜头画质无敌，但沉重、昂贵、不便携如下图。你不会每天背着它。而手机长焦满足了用户 “看到远处，随手就拍” 的即时性需求。最好的相机就是你手头有的那台；

画质妥协下的体验最大化：手机是在有限的体积和成本下，通过光学+计算的融合，为用户提供尽可能好的远摄体验。它牺牲了极致的画质（细节、虚化、暗光表现），换来了极致的便捷和分享效率。

图2-专业长焦镜头

图3-三只EF 100-400mm f/4.5-5.6L IS II

相比之下，这些长枪大炮失去了便携。

在手机领域，我们通常用“等效焦距”来衡量一颗镜头的视角。这是一个为了让人直观理解而设定的概念，它将手机小尺寸传感器上镜头的实际物理焦距，换算到传统全画幅相机（传感器尺寸约36x24mm）上具有相同视角的焦距值。

手机上要用“等效焦距”概念是因为手机的体积太小，镜头的真实物理焦距也就几毫米，如过往分享的6P、7P手机的实际物理焦距参数如下图5：

6P手机镜头链接：6P手机镜头设计-16：

图5-6P手机镜头焦距3.55mm

图6-7P手机镜头焦距4.5mm

7P手机镜头链接：https://zhuanlan.zhihu.com/p/703987663

等效焦距是指：当前手机/相机镜头所达到的视角，等效于在传统35mm全画幅相机上使用该焦距镜头所达到的视角。如何计算？计算公式非常简单，核心是找到 “转换系数”（Crop Factor）。

转换系数 = 全画幅传感器对角线长度 / 手机传感器对角线长度

等效焦距 = 镜头的实际物理焦距 × 转换系数。

1. 全画幅传感器对角线长度 ≈ 43.3mm（固定值），手机传感器对角线长度：需要查规格书（例如，1/1.56英寸传感器的对角线约为10.2mm），

·转换系数 = 43.3mm / 10.2mm ≈ 4.25，对于主摄镜头，通常主摄镜头焦距在5.5mm左右，

· 其等效焦距 = 5.5mm × 4.25 ≈ 23.4mm这就是为什么手机主摄的等效焦距普遍在 23mm-27mm 之间，完美对应经典的人文广角焦段。同一个手机的长焦镜头，为了实现更远的视野，其实际物理焦距必然比主摄更长，使用潜望式结构并配以更小尺寸的传感器，如小尺寸芯片对角线7.7mm，

其转换系数 = 43.3mm / 7.7mm ≈ 5.62，手机内部横向放置一个物理焦距为 18.0mm 的潜望式镜头成为了可能，其等效焦距 = 18.0mm × 5.62 ≈ 101mm（约4.3x变焦）。

二、什么是手机的潜望长焦镜头

为什么光程加大，焦距变大？

焦距（Focal Length）的定义是：从镜头的光学中心（主点）到图像传感器（CMOS）成像平面的距离。在传统直立式长焦中，这个距离是物理直线距离。所以要实现长焦距，就必须让镜头模组变长，这与手机轻薄化直接冲突。传统的直立手机镜头物理焦距一般在5mm左右，而镜头的整体竖直方向空间也直接影响着手机的厚度，所以从手机轻薄的厚度角度考虑，是不会也不允许长焦手机镜头的直立方案，接着就是利用了棱镜改变光路的传播方向。

图7-焦距

图8-手机镜头垂直显示屏方向

所以要采用潜望结构，光路描述：光线从外界进入镜头模组后，不再直接射向传感器，而是被这个棱镜反射了90度，使光路在手机内部横向（平行于手机平面）传播，手机潜望镜头运用了这个原理，通过棱镜改变光的传播方向，由垂直手机面板的竖直方向（Z轴）改为水平方向，从而加大了光程。

图9-1潜望镜原理

物理厚度：手机的厚度（Z轴高度）由棱镜的宽度或镜头与棱镜的厚度共同决定，有效光程：光线在手机内部横向（X/Y轴）传播的距离可以做得非常长。这个横向传播的距离，就是有效的光程。

图9-2手机镜头方向转变-潜望镜头

目前的潜望棱镜方案实现方式较多，光线在棱镜内部进行一次反射，两反，三反，四反，甚至五反都有案例，如下图。

图10-潜望长焦一一次反射方案

图11-潜望长焦两次反射方案

图12-潜望长焦三次反射方案

图13-潜望长焦四次反射方案-苹果方案

图14-潜望长焦五次反射方案-华为方案

光学系统设计时，会让这段横向的光程，等效于传统直立式镜头中从镜头到传感器的直线距离，根据焦距的定义，这个等效距离被做大了，焦距自然就变大了。

上述的潜望镜，解决了“看得远”的问题，但要想“看得清”，光学防抖是关键。那其内部是如何移动的呢？镜头内部光线是如何穿越，穿插各种镜片，棱镜，突破各种障碍，到达Sensor呢？实拍的的时候难免抖动，那又如何让他稳如老狗呢？[憨笑]

让我们看看他的一个动态过程，如图15-A,15-B，因此，长焦镜头对防抖的要求极高。也是各家手机厂商逐鹿中原展现实力的战场。

图15- 潜望长焦棱镜防抖示意

这里简单介绍下什么是OIS，OIS的全称是Optical Image Stabilization，中文是光学图像防抖。

工作原理：它通过镜头内的陀螺仪和加速度计来检测手机微小的抖动，检测到抖动信号后，处理芯片会计算出反向补偿的指令，通过音圈马达或微致动器，驱动整个镜头组或部分镜片，在与抖动相反的方向上产生微移，从而抵消抖动，使光线能够准确地投射在图像传感器上的同一位置。简单说，通过这个OIS，我们手持相机长焦拍摄，妈妈就不用担心画面模糊了。

核心特点：物理防抖：它是一种硬件层面的、物理的防抖方式。不损失画质：由于是通过镜头移动来补偿，不会对成像画面进行裁剪或电子处理，因此不会损失画质。尤其适用于光线较暗、需要降低快门速度的场景（如夜景、室内），可以显著提升成片率。主要短板：对空间有要求，会增加模组复杂度和成本。以上是OIS光学防抖移动镜头模块来达到防抖补偿，那同样作为镜头模块的，棱镜模块，Sensor模块也是可移动模块。这几者都可归属光学防抖。

其他主流防抖方案：EIS – 电子防抖Electronic Image Stabilization。

工作原理：它不移动任何物理部件。而是通过处理器对图像传感器捕获的画面数据进行处理。它会采集比实际输出画面更大区域的图像信息（即“冗余画面”），当检测到抖动时，通过算法实时裁剪和移动画面帧，来抵消抖动，实现稳定效果。优点：成本低，不占物理空间，尤其对视频防抖效果明显。缺点：损失画质：因为是通过裁剪画面来实现稳定，会导致画面视野变小、分辨率有损失。算法依赖性强：效果好坏完全取决于厂商的算法优化能力。

Sensor-Shift – 传感器位移防抖

工作原理：这种技术与OIS思路类似，但不是移动镜头，而是移动整个图像传感器。根据检测到的抖动，让CMOS传感器在平面上进行微小的平移或旋转来进行反向补偿。优点：由于传感器可以做得比整个镜头组更轻，反应可以非常迅速和精准，一套Sensor-Shift系统可以为所有焦距的镜头提供防抖，而OIS需要为每个镜头单独配置。应用：苹果在iPhone 12 Pro Max上首次引入，并沿用至今；谷歌Pixel系列也使用了类似的技术。

混合防抖

这是目前最主流、最先进的方案，工作原理：结合了OIS（光学防抖）和EIS（电子防抖）两者的优点。工作模式：通常，OIS负责抵消大幅度的、低频的抖动，为EIS提供一个已经相对稳定的画面基础。然后EIS再处理更高频率的、细微的抖动，并通过算法进行最终画面的平滑处理。优势：取长补短。既能获得OIS不损失画质的物理稳定效果，又能通过EIS实现更极致的平滑度，尤其是在视频录制方面。现在高端手机的“视频超级防抖”功能基本都是混合防抖的成果。

下面show一张表格，可以快速观看下几个主流的防抖方案，及优缺点。

图15-C-主流市场防抖方案对比

图15-D-主流手机厂商的防抖方案

上面VIVO的CIPA 5.5级防抖，其实是一个OSI+ESI的防抖组合。这里简单提下CIPA防抖不是一个技术，而是一个标准化测试和评级标准，CIPA是什么：CIPA是相机影像产品工业协会的缩写，这是一个由相机、手机等影像设备制造商组成的国际性行业组织。它的一个重要职能就是制定行业标准。CIPA防抖等级是什么：CIPA制定了一套统一的、可量化的方法来测试设备的防抖性能。测试结果会以一个“档位”来表示，例如CIPA 4级防抖、CIPA 5.5级防抖等。

简单总结：CIPA防抖等级是一个“性能证书”，它用一个客观的数字告诉你这款设备的防抖效果有多强。数字越高，代表防抖性能越强悍。

VDIS防抖是三星为其视频防抖技术所起的名字，它的全称是 Video Digital Image Stabilization。

它本质上是一套结合了硬件和算法的混合防抖方案，专门为优化视频拍摄的稳定性而设计。VDIS是如何工作的？它并不是一个单一的技术，而是一个系统，通常包含以下组成部分：硬件基础：OIS光学防抖，VDIS系统首先依赖于手机镜头内置的OIS光学防抖。OIS负责抵消拍摄时大幅度的、低频率的物理抖动，为视频提供一个相对稳定的基础画面。这是物理层面的第一道防线。软件核心：EIS电子防抖算法在OIS处理完大的抖动后，VDIS会调用强大的EIS电子防抖算法。EIS通过陀螺仪数据感知更细微的抖动，然后对画面进行实时裁剪、对齐和补偿。同时，先进的算法会预测下一帧可能发生的移动，实现更平滑的过渡。三星的优化：双轨防抖三星在其宣传中（如Galaxy S24 Ultra）提到的“OIS + VDIS 双轨防抖”，指的就是OIS和EIS协同工作的模式。“双轨”形象地表达了两种防抖技术像两条轨道一样并行运作，同时发力。OIS和EIS的数据会进行融合处理，使得补偿更加精准和高效，既能处理大的晃动，也能抹平细微的颤抖。

图15-E-CIPA防抖级别

了。

如果你经常拍摄演唱会、旅行远景：主打长焦防抖的OPPO Find X7 Ultra（悬浮棱镜防抖）和vivo X300 Pro（CIPA 5.5级防抖）是很好的选择；

如果你是Vlog爱好者或需要多焦段覆盖：三星Galaxy S Ultra系列（OIS+VDIS双轨防抖）的视频防抖能力和多长焦配置值得考虑；

如果你追求极致轻薄的手感：华为Pura70 Pro+的伸缩式镜头能在提供光学防抖的同时，让机身更薄

三、投影系统镜头与棱镜的组合

话题到了这里，怎么插入了投影系统呢，其实这里也是个人过往光学设计过程的常见方案，镜头与三角棱镜的匹配，本次带来的分享潜望棱镜长焦镜头的实现方案，其实类似投影系统里常见的成像镜头+三角棱镜方案，投影系统里，三角棱镜有两种棱镜，一种RTIR棱镜，TIR（Total Internal Reflection，全内反射）棱镜和RTIR（Reversed TIR，反向TIR）棱镜是投影光机里不可或缺的核心部件，它们直接决定了光路的效率、对比度和系统紧凑性。

TIR棱镜：常见于DLP投影系统。它的核心作用是将照明光路和投影光路分离。照明光束以大于临界角的角度入射，在棱镜界面发生全内反射，折转向DMD芯片；而被DMD调制后的投影光束，则以小于临界角的角度入射，穿透棱镜直接投射出去。这种设计完美解决了照明与成像光路的干扰问题，实现了极高的光学效率和对⽐度。

RTIR棱镜：可以看作是TIR棱镜的一种“反向”应用。其设计目的是为了在更紧凑的空间内实现光路分离，通常用于对体积有极端要求的超小型投影模块（如嵌入式投影）中。它同样利用全内反射原理，成像光路里实现全反射进入镜头，参与成像镜头，对棱镜的倾斜，偏心更敏感，尤其需要考量组配过程工艺。

图16-投影系统RTIR棱镜方案

图17-投影系统TIR棱镜方案

无论是TIR还是RTIR，其本质都是对光路进行精确的“管理”与“折叠”，在有限的体积内，实现复杂的光路功能。这正是光学设计中“螺蛳壳里做道场”的精髓。

现在，让我们把目光转向手机潜望式长焦镜头。它的核心诉求与微型投影仪异曲同工：如何在极度有限的机身厚度内，实现更长的等效焦距？

答案就是：将光路“折弯”。传统直立式长焦镜头需要较长的物理长度（≈焦距），这与手机不断变薄的趋势相悖。而潜望式结构通过引入棱镜，让光路在手机内部“横着走”，完美规避了机身厚度的限制。

这其中最经典的结构便是 “镜头 + 棱镜” 的组合。这个“棱镜”通常有两种形态：

方案一：直角三角棱镜（90° Deflecting Prism）

工作原理：光线从外部景物垂直射入手机的保护玻璃。随后，这束光立即遇到这个三角棱镜的斜面。根据斯涅尔定律和反射定律，光线会在棱镜的斜面上发生一次反射（通常是镜面反射，斜面镀有高反射膜），将原本垂直的光路偏转90度，变为水平方向。

后续光路：折转后的水平光路，再由水平放置的镜头组和图像传感器接收成像。这样一来，整个镜头模组的物理长度（对应焦距）就可以利用手机的“宽度”或“长度”空间，从而实现了长焦功能。

设计要点：此方案结构相对简单，但需要精确控制棱镜的角度、镀膜反射率以及棱镜与后续镜头组的对准，避免像散等像差引入。

图18-潜望长焦的单棱镜方案-一反

图19-潜望长焦的双棱镜方案-两反

方案二：平行四边形棱镜（Dove Prism / Rhomboid Prism）或倒梯形棱镜

工作原理：光线从一端进入棱镜，在内部经过四次全内反射，从另一端射出。关键在于，出射光路与入射光路是平行的，但存在一个偏移量。

独特优势：

平移光路（Offset）：可以在不改变光轴方向的情况下，平行地移动光路。这为手机内部其他元件（如主板、电池、其他摄像头）的布局腾出了宝贵空间，实现了更极致的堆叠设计。

设计要点：此方案对棱镜的加工和装配精度要求极高，高达四次反射的任何误差都会被放大，严重影响成像质量及后期的杂散光控制。如下图左上角苹果2021年申请的平行四边棱镜四反专利，下图仿真，个人借助投影系统改的一个四反棱镜方案：

图20-潜望长焦的平行四边棱镜方案-四反

图21-1-潜望长焦的倒梯形棱镜方案-三反

图21-2潜望长焦的倒梯形棱镜实物及仿真图

四、四反潜望长焦，三反潜望长焦，两反潜望长焦

上述讨论了潜望长焦镜头的前前后后，接着，带来本次潜望长焦镜头的四次反射方案，三次反射方案一步步如何由投影系统切入进来。先看下过往用于AR投影模组的光学系统，和潜望长焦两反的光路对比，可以显而易见，两个光路对光线转折思路大体一致。如图：

图22-用于AR 投影模组的投影系统

进行四反潜望长焦镜头的实现。本次初始的结构采用过往一个投影系统的架构做优化：

图23-投影架构三角棱镜转平行玻璃板进行扩焦

图24-投影架构优化潜望长焦初步参数

大概的思路，先通过常规的投影镜头，镜头+棱镜作为初始架构，当然整体的镜头光圈，焦距，视场角，及像面高度，这些参数尽可能在初始参数要尽量优于目标值，或者后期通过增减镜片也可，看个人习惯。本次由上图的初始投影系统达到后焦拉大，加大焦距，初始的11mm达到21mm，棱镜长度由初始的9mm加大到30mm，初步达到目标潜望长焦镜头的要求，后面主要分享30mm prism通过坐标端点转成4次全反方案的潜望棱镜方案。镜头前后性能指标不是本次分享的主要目标，且镜头组长度也不在此篇考虑范围，故不做评估。

图25-1-Stpe1-1

水平棱镜第二面虚线矩形框内示意，S1面绕X轴旋转-30°得到Step1-2，可看到该棱镜面已旋转，同时作为单次反射镜的后面厚度尺寸要改变正负号，（ZMX里奇次反射，偶次反射的正负号规则，奇变偶不变），第一步转折后出现了S2面，如下图示意

图25-1-Stpe1-2

接着下一步对第二个虚线框的靶面S2进行旋转，让光线产生第二次棱镜内反射，此时需要调整主光线在棱镜内部的长度，为6mm，同时棱镜S2面绕X轴旋转60°，靶面调整，出现S3面，如下图主光线尺寸21mm（整个翻转过程，始终要保持初始棱镜的厚度尺寸30mm，翻转一次，尺寸要计算一次，当然这些都是要提前计算好）。