手机摄像模组是目前光学设计的重要应用场景，在很长一段时间里，工程技术人员们都希望在小体积里实现真正的光学变焦，但这一直面临很多挑战。但其实除了我们一般意义上的连续变焦，还有其他变焦方式，最近华为pure80系列发布，借此我也做了一个Demo，给大家说说另外一种常用的变焦方式——切换式变焦
- 切换式变焦的实现方法
我们大多数时候讨论的变焦是指连续变焦，通过至少两个独立运动的组元，可以保证光学系统的物像共轭位置不变，焦距改变。关于连续变焦光学系统的相关理论，大家可以看这里。【成像光学进阶】变焦系统的初始结构计算
除了这种变焦形式，大家也可以试想，例如在光学系统前加入一个望远系统，则整个光学系统的焦距就会随着望远系统的放大倍率缩放。在红外领域，就有很多公司给自家产品做一个增倍镜，可以和连续变焦系统的产品匹配，此时这些增倍镜就类似于连续变焦中的前固定组，起到了整体缩放的作用。在消费级镜头中，尼康佳能等厂商都在设计适配其中一部分镜头产品的增倍镜，例如1.4倍和2倍。这些增倍镜往往安装在镜头和相机之间，体积小重量轻，也非常实用。这些技术方式本质上都是给现有的光学系统增加一部分，从而实现焦距的跳跃式变化，我们一般叫这种变焦形式为切换式变焦（或者叫打入打出变焦）。切换式变焦镜头内部有多个不同焦距的光学组件。例如，它可能包含几个固定的焦段，如广角端（如 24mm）、中焦段（如 50mm）和长焦端（如 105mm）等。通过镜头内部的机械结构或者相机机身的指令，镜头可以在这些预设的焦距点之间进行快速切换。当切换焦距时，镜头内部的镜片组会相应地移动或者重新组合，以改变光线的汇聚方式，从而达到改变焦距的效果。这种切换通常是比较明显的、离散的变换，不会像连续变焦那样在两个焦距之间平滑过渡。因为镜头在每个预设的焦距点上，能够更好地校正像差。例如，在定焦镜头中，由于焦距固定，光学设计师可以针对该特定焦距对各种像差（如色差、球差、彗差等）进行精准的校正，以获得最佳的图像质量。切换式变焦镜头在每个切换后的焦距点可以接近定焦镜头的成像质量。相比之下，连续变焦镜头在变焦过程中，很难在所有焦距段都对像差进行完美校正，容易出现部分焦距段画质下降的情况。相较于复杂的连续变焦机构，切换式变焦镜头的机械结构较为简单。这使得镜头的可靠性更高，在长期使用过程中，出现机械故障（如卡焦、变焦不到位等情况）的概率相对较低。虽然在消费类产品中相对少见，但在航空遥感，红外目标模拟等领域已经得到了几十年的发展。
- 一个演示案例
最近华为新发布的pura80系列手机就很火，其中一个重要的卖点就是宣称自己实现了一种纯光学变焦的形式。我自己用天塞物镜为基础做了一个简单的Demo，主要是探讨一下这种方案。
如下图所示，光学系统可以通过控制一个平面反射镜的位置在两个状态间切换，两个状态共用后面的几片透镜，而各自有一个独立的首片透镜。这两个状态对应的焦距分别为30mm和50mm。
在连续变焦光学系统中我们可以理论证明，如果变倍组做线性运动，那么补偿组一定做非线性运动，整体的加工成本会更高，而上图这种结构形式，只需要控制平板反射镜的位置即可，实际上结构更为简单。但是这种方案也会带来一定的挑战，例如在pura80中，实际采用的是棱镜控制光路切换，为了折叠光路，压缩空间，像面前还有一个棱镜。这种布局不利于通用的AA制程定心，将上述方案量产还是有一定的挑战的。
三、光学变焦与数码变焦相结合
对于切换式变焦来说，综合考虑打入打出部分的复杂程度，口径体积和整体的成像质量，我们很难把变倍比做的很大。这里我大概估算了一下，假设探测器对角线为1英寸，以全画幅相机24mm镜头对应的视场角为参照，则为了实现若干倍数的长焦，对应的镜头焦距如下：
如果要在3.7倍和9.4倍中切换，变倍比超过两倍，很难把体积做小的同时保证成像质量，因此pura80的9.4倍变焦实际是采用的光学和计算相结合的方式。
假设在3.7倍状态下，一个像素实际上是四合一的，那么在9.4倍时则采用一合一的方式，通过算法插值，也能输出同样像素数量的图像，此时所需的焦距如下：
此时51mm和65mm之间的切换还是比较好实现的，换算下来就是3.7倍到5倍变焦。如果是在晴朗的白天，这种计算成像方式的误差较小，一般使用体验上也没有什么差别。
四、总结
在本期文章中，我们深入探讨了光学变焦的多种实现方式，重点分析了连续变焦与切换式变焦的特点和应用场景。切换式变焦通过增倍镜或镜片组切换实现焦距跳跃式变化，在特定焦距点具有近乎定焦镜头的成像质量，且机械结构相对简单可靠，在多个领域有广泛应用。文章以华为Pura80系列手机为例，展示了其通过平面反射镜位置切换实现纯光学变焦的创新方案。同时，分析了光学变焦与数码变焦结合的趋势，指出在追求高倍变焦时，结合计算成像技术可在一定程度上弥补光学变焦的局限，但需要权衡成像质量和体积等多方面因素。
如果大家感兴趣，之后我再尝试把原始专利复现一下，看看具体哪个实施例效果比较好。