Смартфондардағы оптикалық зум камераларын жасау технологиясы
Соңғы жылдары смартфон камералары тез дамыды. Бұрын телефондар қарапайым бір линзаға негізделген болса, қазір көпшілігінде бірнеше камера, үлкен сенсорлар, кеңейтілген кескін өңдеу және тек кәсіби камераларда ғана кездесетін мүмкіндіктер бар. Ең қызықты жаңалықтардың бірі - оптикалық масштабтау - сандық масштабтау сияқты бөлшектерді күрт жоғалтпай кескінді үлкейту мүмкіндігі. Бірақ смартфон сияқты жұқа құрылғыда оптикалық масштабтауды қамтамасыз ету оңай шаруа емес. Бұл мақалада смартфондардағы оптикалық масштабтау камераларының технологиясы, оптикалық принциптер мен линза дизайнынан бастап перископтық механизмдер мен тұрақтандыруға дейін, өндірістік қиындықтарға дейін қарастырылады.
1. Оптикалық масштабтауды және сандық масштабтауды түсіну
Оптикалық масштабтау дегеніміз, линза элементтерін пайдаланып фокустық қашықтықты өзгерту арқылы үлкейтуге қол жеткізу дегенді білдіреді. Жарық сенсорға жеткенге дейін физикалық тұрғыдан «үлкейтілгендіктен», кескін сапасы жоғары болып қалады: бөлшектер жақсы сақталады, шу жақсы басқарылады және айқындық тұрақты болады.
Керісінше, сандық масштабтау сенсордан кескіннің аумағын кесіп, үлкейтеді, содан кейін оны алгоритм арқылы жақсартады. Нәтиже көбінесе бұлыңғыр немесе пикселденген болып көрінеді, әсіресе жоғары үлкейту кезінде, себебі қосымша оптикалық ақпарат қосылмайды.
Сондықтан смартфон өндірушілері пайдаланушылар сапасын жоғалтпай алыстан суретке түсіре алатындай етіп телефото линзаларды (2x–3x) және тіпті перископтық жүйелерді (5x–10x) ұсынуға асығып жатыр.
2. Негізгі кілт: Фокустық қашықтық және смартфон қалыңдығының шектеулері
Дәстүрлі камераларда оптикалық масштабтау объективті алға және артқа жылжыту үшін физикалық кеңістікті қажет етеді. DSLR немесе айнасыз камералардың корпусы қалыңырақ, бұл объектив элементтері арасындағы қашықтықты өзгертуде икемділікті арттырады.
Смартфондар айтарлықтай қиындыққа тап болады: кеңістік өте шектеулі (әдетте қалыңдығы шамамен 7-9 мм). Жоғары оптикалық үлкейтуге қол жеткізу үшін фокустық қашықтықты ұзарту қажет, бірақ бұл фокустық қашықтыққа көбірек орын қажет. Қазіргі заманғы оптикалық инженерия осы жерде маңызды рөл атқарады.
3. Смартфонды масштабтау тәсілдері: бекітілген телефото және айнымалы масштабтау
Жалпы, оптикалық масштабтаудың екі жолы бар:
1. Бекітілген телефото (бекітілген үлкейту)
Көптеген смартфондар 2x немесе 3x сияқты бекітілген үлкейту мүмкіндігі бар телефото камераларды пайдаланады. Мұны іске асыру оңайырақ, себебі модульдің масштабтау диапазоны бойынша қозғалуы қажет емес; ол тек фокустауы керек.
2. Айнымалы оптикалық масштабтау (шынайы масштабтау)
Фокустық қашықтықты өзгерту үшін қозғалмалы линза элементін қажет ететіндіктен күрделірек. Кейбір премиум смартфондар мұны енгізе бастады (мысалы, 3,5x–7x диапазоны), бірақ механикалық, құны және беріктігі бойынша қиындықтарға байланысты бұл сан әлі де шектеулі.
4. Перископ технологиясы: смартфонға сәйкес келетін жарық жолдарын бұрау
Смартфондардағы жоғары оптикалық зумға арналған ең танымал инновация - перископтық камера. Принципі:
– Жарық смартфонның артқы линзасынан енеді.
– Содан кейін ол призма немесе айна (әдетте призма) арқылы 90 градусқа шағылысады.
– Осыдан кейін, жарық телефонның қалыңдығы арқылы емес, смартфон корпусына параллель (көлденең) таралады.
Жарық жолын «бүктеу» арқылы өндірушілер телефонды қалыңдатпай, ұзынырақ телефото линзалар массивін қоса алады. Сондықтан перископтар 5 еседен 10 есеге дейін оптикалық масштабтауға қол жеткізе алады.
Перископтың маңызды компоненттері:
– Жоғары сапалы призма/айна: айқындық пен контрастты төмендетпеу үшін дәл болуы керек.
– Телефото линзалар жинағы: әдетте бірнеше пластикалық және/немесе шыны элементтерден тұрады.
– Сенсор: модуль кеңістігі шектеулі болғандықтан, көбінесе теңшелген сенсор өлшемін пайдаланады.
– Фокустау және тұрақтандыру жүйесі: өте маңызды, себебі жоғары үлкейту кезінде тіпті кішкентай дірілдер де үлкен болып көрінеді.
5. Линза дизайны: Оптикалық элементтердің материалдары және орналасуы
Смартфонда оптикалық зум линзасын жасау дегеніміз:
– ортасында және шеттерінде өткір,
– минималды бұрмалану,
– минималды хроматикалық аберрация (түс жиектері),
– жарық болып қалады (диафрагма жеткілікті үлкен),
– және жұқа және соққыға төзімді болып қалады.
Линза материалы
Көптеген смартфон линзалары оптикалық полимерлі пластикті пайдаланады, себебі ол жеңіл, арзан және жоғары дәлдікпен қалыптау оңай. Дегенмен, премиум телефото/перископтық модульдер үшін кейбір өндірушілер жарық өткізгіштігін жақсарту және бұрмалануды азайту үшін шыны элементтерді немесе арнайы материалдарды пайдаланады.
Элементтердің орналасуы
Телефото линзалар әдетте бірнеше асфералық элементтерден тұрады. Асфералық элементтер кеңістікті үнемдеу үшін маңызды элементтерді азайту арқылы ауытқуларды азайта алады.
6. Автофокус: VCM және заманауи фокус технологиясы
Оптикалық масштабтау тек фокус жылдам және дәл болған жағдайда ғана пайдалы. Смартфондардағы фокустау жүйелері әдетте мыналарды пайдаланады:
– VCM (Дауыс катушкасының қозғалтқышы): линзаны фокустауға бағыттайтын шағын электромагниттік қозғалтқыш.
– Қос пиксельді PDAF немесе төрт пиксельді PDAF: жылдам фокустау үшін фазаны анықтауға көмектесетін сенсорлық технология.
– Лазерлік автофокус (кейбір модельдерде): қараңғы жағдайларда немесе жақын нысандарда қашықтықты тез өлшеуге көмектеседі.
Телефотокамераларда автофокус дәлірек болуы керек, себебі өріс тереңдігі тар болуы мүмкін және шағын дірілдер айқынырақ байқалады.
7. Оптикалық масштабтаудағы OIS: Тұрақтандыру қиынырақ
Ұзын фокустық қашықтықтарда басты мәселе - қолды қысу. Сондықтан телефото/перископтық модульдерде көбінесе оптикалық кескінді тұрақтандыру (OIS) функциясы бар.
Екі жалпы тәсіл бар:
– Линзаны жылжыту арқылы оптикалық оптикалық көрініс: линза элементтері дірілді өтеу үшін жылжытылады.
– Сенсорды жылжыту арқылы OIS: сенсор қозғалады (үлкен камераларда жиі кездеседі, қазір кейбір смартфондарда пайда бола бастады).
Перископтар үшін OIS шектеулі кеңістікке және «бүктелген» жарық жолына байланысты қиынырақ. Механизм өте дәл және соққыға төзімді болуы керек.
8. Өндіріс процесі: Мини масштабта жоғары дәлдік
Смартфонның оптикалық масштабтау модулін жасау бірқатар маңызды процестерді қамтиды:
1. Линза элементтерін басып шығару/өндіріс
Пластикалық элементтер дәл инъекциялық қалыптау әдісімен қалыпталады. Шыны үшін бұл процесс тегістеу және жылтыратуды қоса алғанда күрделірек.
2. Шағылыстырмайтын жабын
Ішкі шағылысуларды азайту және контрастты арттыру үшін жұқа жабын қолданылады, бұл әсіресе шағылысулар көп болуы мүмкін перископтық жүйелерде маңызды.
3. Модульді құрастыру (туралау)
Бұл өте маңызды қадам. Линза, призма және сенсор микрометрлік төзімділікке сәйкес келтірілуі керек. Тіпті ең аз қателік те айқындықты төмендетіп, бұрмалауға әкелуі мүмкін.
4. Зауыттық калибрлеу
Жинаудан кейін модуль фокус, OIS, бұрмалау, виньетка және түс сипаттамалары бойынша калибрленеді. Бұл калибрлеу деректерін камера бағдарламалық жасақтамасы нақты уақыт режимінде түзету үшін пайдаланады.
9. Негізгі қиындықтар: Жоғары масштабтау кезіндегі жарық, шу және сапа
Оптикалық масштабтау бөлшектерді арттырғанымен, ол сонымен қатар қиындықтар туғызады:
– Телефото/перископтық линзалардағы кішірек диафрагма: Сәйкестендіру үшін линзалардың диафрагмалары көбінесе негізгі камераларға қарағанда тар болады. Бұл түнгі фотосуретке түсіруді қиындатады, себебі жарық аз түседі.
– Кішірек сенсор өлшемі: телефото модульдері көбінесе негізгі камераға қарағанда кішірек сенсорларды пайдаланады.
– Дифракция және аберрация: мини-дизайндарда аберрацияны бақылау қиынырақ.
– Камераны ауыстыру: пайдаланушы 1x-тен 3x-ке дейін «ұлғайту» кезінде телефон негізгі немесе телефотокамераны таңдап, содан кейін гибридті өңдеуді орындай алады.
Бұл кемшіліктерді жою үшін өндірушілер мыналарға сүйенеді:
– көп кадрлы қабаттастыру (бірнеше фотосуретті біріктіру),
– аса ажыратымдылық,
– ЖС шуын басу,
– HDR,
– және гибридті масштабтау (оптикалық + ақылды кесу).
10. Болашақ: Нағыз үздіксіз масштабтау және жіңішке дизайндар
Алдағы уақытта келесі үрдістер дамуы мүмкін:
– кең ауқымды үздіксіз оптикалық зум,
– жарық перископ модулі (үлкенірек диафрагма),
– Күшті OIS,
– үлкенірек телефото сенсор,
– сондай-ақ тиімдірек бүктелген оптикалық линза дизайны.
Сонымен қатар, өндірушілердің саны артып келеді және олар оптикалық мүмкіндіктерді есептеу өңдеуімен біріктіреді: масштабтау нәтижесі тек линзаға ғана емес, сонымен қатар мәліметтерді табиғи жолмен «толтыратын» бағдарламалық жасақтаманың интеллектіне де байланысты болады.
Қорытынды
Смартфондардағы оптикалық зум камераларының технологиясы оптикалық инженерияның, дәлдік механикасының және есептеу фотографиясының үйлесімі болып табылады. Жұқа корпуста жоғары оптикалық үлкейтуді қамтамасыз ету үшін өндірушілер бекітілген телефото конструкцияларын, перископтық механизмдерді (бүктелген оптика), миниатюралық асфералық линзаларды, жылдам автофокусты және дәл оптикалық кескінді тұрақтандыруды (OIS) пайдаланады. Жарық пен кеңістіктің қиындықтарына қарамастан, инновациялар дамып келеді, бұл смартфон камераларын арнайы камералардың мүмкіндіктеріне жақындатады - оларды әрқашан қалтаңызда алып жүрудің ыңғайлылығымен.
Қаласаңыз, мен перископ пен кәдімгі телефото салыстыруы, 5x/10x модуль архитектурасының мысалдары немесе мини жүйелердегі фокустық қашықтық пен диафрагма формулаларының техникалық түсіндірмелері сияқты арнайы бөлімдерді қоса аламын.
