iPhone 15 Pro Max 5 倍长焦设计解析

iPhone 15 Pro Max 的 5 倍长焦，虽然细究很多思路不是第一次见到，但我认为还是很值得讲。

1、直立式光学系统的限制

实际上，在 iPhone 15 Pro Max 之前，iPhone 手机的中焦或中长焦均采用直立式的光学系统，虽然结构相对于潜望式更加简单，能实现更少的光损和更小的模组体积。但是问题是由于光轴不像潜望式一样弯折了 90°，导致光学系统所需要的长度会直接影响整个模组的 Z 轴高度

。 同时由于超广角或广角不同，长焦光学系统的等效焦距更长（也需要足够的光程），虽然长焦光学系统的镜片数量往往没有广角或超广角光学系统那么多，但长焦相机即便在规格稍弱的情况下（光圈值和传感器尺寸），长焦相机的光学系统的 Z 轴高度占用往往比广角甚至超广角还要大得多——这就是为何在大多数旗舰手机里，都需要使用潜望式光学设计来将长焦光学系统的 Z 轴高度转化为 X 轴长度。

2、Only Apple has to do（ID 设计的限制 ）

我在之前的回答

里曾经聊过，虽然以相机凸台抢出的足以放下潜望式模组，但是由于 X 轴长度不够，潜望式模组无法像直立式光学系统一样最大化利用相机凸台抢出来的 Z 轴空间，从而限制了在相同空间内模组能够实现的规格（如更大的光圈、更长的等效焦距或更大尺寸的图像传感器等） 目前已经量产解决的方案一共有两种

，一种是增加凸台本身面积使其有足够的 X 轴空间容纳整个潜望式模组（图一）。

图一：传统潜望式长焦模组设计，相机的转台即指本文中的“相机凸台”，来源：苹果 另一种就是将折叠光路里的一部分镜片给挪到反射棱镜上面从而在凸台有限的 X，Y 轴横向空间内也能吃到其带来的 Z 轴空间福利（图二）。

图二：苹果等效 85mm 潜望光学设计，可以看到第一片镜片位于反射棱镜前方，来源：苹果 但是对 iPhone 来说，问题则更为棘手——因为从 iPhone 12 Pro Max 开始，iPhone 通常都使用类似火山口多级凸台：只有相机的开孔位置做了最高的凸起，但是在 x，y 轴方向上凸台的覆盖面积并不大，同时在挖孔外侧的第一级方形阶梯的凸起高度也有限。（图三）

图三：并没有能放下潜望长焦的一大块凸台，来源：苹果 虽然这样的设计抢出的 Z 轴高度已经足够容纳大尺寸直立式镜组了，但是只考虑容纳直立式模组的凸台设计并没有为潜望式模组的空间需求留有足够的裕量：相机开孔尺寸的限制以及挖孔外侧凸台横向面积（X、Y 轴）和高度（Z 轴）不足导致在光路折叠后的镜组高度和图像传感器高度将严重受其他元器件厚度以及 8.25mm 的机身厚度制约。

3、谁说光线只能折一次？

我们在第一章的时候提到过，长焦的光学系统虽然在长度上要长于广角甚至超广角镜组，但这并不意味着镜片数量要比后者要多。因为长焦的光路本就更容易满足近轴条件，不需要太多镜片来矫正像差。这导致长焦光学系统往往看着很大，但是内部很多地方都是空的（图四）——当然这些“空气层”还不能去掉，不然光程就不够了，但我们是否能做点什么来尽可能缩小或者优化空气层所占的空间，来缩小成像光路呢？

图四：佳能 EF600 F4L，可以看到绝大部分空间都是空的，来源：佳能 答案自然是有的，例如折返镜头就是让光线在同一空间内来回反射实现在满足光程的同时减少空间占用。在手机端也有思路类似的解决方案（图五）： 华为 P40 Pro+ 的 10× 模组上，华为在光学系统后面，通过一片 L 型反射镜+一块直角棱镜组成了四个反射面，通过使经过光学系统后的光线来回弯折，在满足长焦光学系统像距要求的同时大大地减少了整个 10× 长焦模组的 X 轴长度。

图五：华为 P40 Pro+ 的 10× 长焦模组通过多重反射来减少长度占用来源：华为 iPhone 15 Pro Max 的 5× 长焦模组的设计也使用了类似的想法，苹果调换了传统潜望长焦中，先反射镜，后光学系统的顺序。改成了先光学系统，然后再使用反射镜的方式。此时光学系统部分和传统的直立式模组的光学系统完全相同，自然就能塞进为直立式模组设计，横向空间不足的相机凸台里了。而直立式长焦光学系统长像距对 Z 轴高度的影响则使用光学系统后的整个反射棱镜将光线来回弯折来解决，同时图像传感器光轴和入射光轴平行，避免了图像传感器尺寸以及防抖运动对 Z 轴高度的影响

。

图六：iPhone 15 Pro Max 潜望长焦设计，来源：苹果 需要注意的是（图七），苹果并没有采用潜望式模组常见的 45° 反射棱镜，而是约 31°，一方面更小的角度有助于缩小棱镜本身的 Z 轴高度，另一方面这也缩小了棱镜的 X 轴长度——因为在相同 X 轴长度的棱镜下，使用更小的角度有助于让光线在棱镜中走过的光程变多（之字形行进），反之在相同光程（此处即为相同像距）下 X 轴长度可以更小。

图七：具体光路，来源：苹果 从具体的光路（图七）中我们也能发现，光线进入棱镜后的第一个反射面和最后一个反射面入射角都偏大，可能难以满足全反射条件，所以在这两个反射面上可能需要增加高反射或镜面图层（图八）。

图八：涂层 570 即为高反射涂层，来源：苹果 同时理论上不是棱镜的所有部分都需要有光线通过，整个棱镜有光线通过的部分更类似于之字形而不是现在的平行四边形，存在引入杂光的风险，所以需要在光线入射平面上构建消光和抗反射涂层以及在平行四边形棱镜中打孔、设置凹口（图八）或者干脆使用多片棱镜胶合的方式在棱镜中构建消光措施来遮挡潜在的杂光（图九）。

图九：三片棱镜胶合的方案，来源：苹果 也许是为了尽可能缩小光学系统、棱镜以及配套元器件的尺寸，iPhone 15 Pro Max 的棱镜和光学系统都是固定死的部件，无法活动。苹果通过让图像传感器支持三轴运动，来实现对焦（Z 轴平移）和两轴（X，Y 轴平移）图像传感器防抖（ISIS）。

图十：诺基亚也曾在专利中展示过通过挪动图像传感器来实现对焦的方案，来源：诺基亚 原回答： https://www.zhihu.com/question/621768143/answer/3210188177 参考： https://www.zhihu.com/question/386176633/answer/1148565737 https://www.zhihu.com/question/591395537/answer/2950607603 https://www.bilibili.com/read/cv22784988/ https://www.bilibili.com/video/BV1Y94y1W7cQ/