华为新手机采用自由曲面镜头，理工男的浪漫or追求技术的极致

文章来源：前瞻网，作者：Winnie Lee

近日华为发布了Mate 40 Pro+新机，通过详细参数可以看到，作为一款旗舰机型，Mate 40 Pro+采用的诸多新技术无疑是非常值得关注的，其中最值得一提的就是手机镜头的升级。

如此前爆料，新手机的超广角摄像头采用了业界首款自由曲面镜头，有不少媒体曾评价为“华为手机做了使用自由曲面镜头的第一个吃螃蟹的人”。

这款自由曲面镜头到底有什么新奇的？根据华为官方宣传，Mate40 Pro+手机中的超广角镜头由于引入了自由曲面，镜头的成像质量非常高，系统的光学畸变非常小，不需要经过软件畸变校正就可以得到无畸变的高清晰图像。

什么是光学畸变？

畸变是许多手机镜头都存在的缺陷，要深入解释这个问题，首先就得知道什么是光学畸变。

畸变是指光学系统对物体所成的像相对于物体本身而言的失真程度，光学畸变是指光学理论上计算所得到的变形度。

畸变通常分为 桶型畸变，枕型畸变和线性畸变。

桶形畸变(Barrel Distortion)是指光学系统引起的成像画面呈桶形膨胀状的失真现象，使人变矮胖的哈哈镜成像是桶型畸变的一个比较形象的例子。

枕形畸变(Pincushion Distortion)是指光学系统引起的成像画面向中间“收缩”的现象，使人变瘦高的哈哈镜成像属于枕型畸变。

线性畸变(linear distortion)则是试图近距离拍摄高大的直线结构时的失真现象，实际上平行的线条在成像画面中却显得并不平行，结果显得建筑物或树木好像要倾倒下来似的。这种畸变本质上是一种透视变换，即在某一特定角度，任何镜头都会产生相似的畸变。

(图：枕形畸变，桶形畸变与线性畸变)

畸变是镜头镜片系统的放大率差异导致的。这是因为镜头是由多组透镜组成的光学设备，而透镜分为凸透镜和凹透镜，无论是哪种，其中心和边缘厚度都不一样。

(图：不同的透镜)

对于一个理想光学系统，在一对共轭的物像平面上，放大率(物体的成像大小与实际大小的比值)是个常数。

但在实际应用中，透镜的放大率会随光束和主轴间所成角度改变而改变。当放大率随入射角度增加而增大时称正畸变，也就是图像“收缩”的枕形畸变;当放大率随入射角度增加而减小时称负畸变，也就是图像“膨胀”的桶形畸变。

这样的畸变跟镜头固有特性有关(凸透镜汇聚光线、凹透镜发散光线)，无法完全消除。

那么究竟什么是自由曲面?它又厉害在哪里?

不同于传统的球面和非球面，自由曲面(FreeForm)是一种非轴对称、不规则、复杂的曲面。光学自由曲面则是包括至少一个自由曲面的光学设计。

(图：自由曲面)

(图：光学表面的种类，从上到下依次为球面，非球面和自由曲面)

开个玩笑，其实自由曲面并不总是像上图那样“奇形怪状”，其中一些也很“正常”，形状与传统的球面类似。

(图：三种自由曲面渐进镜片)

与传统镜头相比，自由曲面镜头具有更大的设计自由度，能够尽可能地单独控制不同视场区域的光线，从而抑制畸变。

在光学系统设计中，应用自由曲面不但可以自由地分配光强，还能人为控制每根光线的角度、方向和光程差。

利用光学自由曲面技术，可以实现对高分辨率、宽视场、低像差、分段视场、低光性能和其他光学参数的要求。

(一个自由曲面镜头)

(低失真视野狭窄、鱼眼广角高失真和视野宽阔、没有失真的自由曲面光学效果，图源DynaOptics官网)

光学自由曲面主要依靠多种数学方法来进行设计，通过一系列具体参数来反推计算出自由曲面的形状。由于这个过程基本上是“个性化定制”，因此光学自由曲面并不能像传统球面或非球面镜头那样多用途通用。

例如，偏微分方程法根据入射光矢量、出射光矢量和自由曲面法矢量之间的关系及一些限制条件来建立偏微分方程，求得自由曲面的面型参数;

(图：偏微分方程法的理论基础，TED's方法)

划分网格法根据光源面和接收面的映射关系，通过迭代计算得到光学表面的形状;

几何变分法将几何光学和变分法相结合，理论性最高，需要很高的数学基础;

SMS多面同步求解法可以计算两个及两个以上的自由曲面，是基于费马定理和边缘光线理论得到的，理论易理解，计算过程最简单。

其实，早在华为之前，至少从20世纪90年代起，德国的眼镜片设计师就首先开始使用自由曲面技术定制渐进式镜片，他们在渐进式镜片的毛坯背面使用它。

随着技术发展，时至今日，这些设计师拥有了强大的光学设计引擎，可以在一台中央服务器计算机上使用由眼部护理专业人员提供的参数进行在线复杂计算。对于一些高端镜片，他们甚至能根据佩戴者进行完全的个性化定制。

如今，在照明、印刷扫描、显示器、眼科、投影、数据存储等多个领域，自由曲面已经被广泛使用：

(图：使用自由曲面的车前灯反射器)

在新兴技术领域，自由曲面技术也有很大的潜在发展空间，如北京理工大学设计了自由曲面光学透视式头盔显示器，EPSON智能眼镜使用了自由曲面技术，极紫外光刻(EUVL)投影物镜也开始向高数值孔径(NA)、自由曲面设计形式发展。

(自由曲面在头盔显示器中的应用)

许多国外知名光学研究机构也一直致力于自由曲面应用于空间光学的研究。HUBBLE望远镜在其修复光学系统中采用了一块自由曲面反射镜，JWST在其红外光谱仪中也采用了一块自由曲面平衡轴外像差，Leica为欧空局研制的TMA空间相机也采用了自由曲面进行像差平衡。

而华为此次将自由曲面使用在手机镜头中，可谓是十分有勇气，因为自由曲面的设计和加工技术对设计技术和设备性能都要求极高，这显然会带来生产速度和良率的明显下降。

由于一般的光学软件(如Zemax, CodeV等)针对自由曲面的优化设计方法并不完善，设计一个自由曲面需要花很长时间不断手动反复调整、设置操作参数，一个比较复杂的自由曲面的设计往往需要一个月甚至几个月的时间还达不到理想效果。

传统的光学磨制方法也无法加工高精度的非球面与自由曲面面形，必须突破古典光学传统加工方法，采用先进的单点金刚石切削及超精密数控制造技术进行加工，且我国在自由曲面光学制造技术上与国外仍有着一定差距。

就算费了这么大功夫，采用自由曲面的手机镜头也不一定能为消费者带来非常直观的提升感受，因为人眼对于4%之内的畸变基本无法分辨。许多智能手机厂商会简单粗暴地选择使用软件来校正畸变，在实际应用中，这无非让消费者拍照时多花一点点时间。

那么为什么华为要吃力不讨好地做自由曲面镜头呢?粉丝们会说这是理工男的浪漫，分析人士会说华为在追求技术研发的珠穆朗玛峰，读完本文的你又有什么看法呢?

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