Optiskās tālummaiņas kameru ražošanas tehnoloģija viedtālruņos
Pēdējos gados viedtālruņu kameras ir strauji attīstījušās. Lai gan kādreiz tālruņi paļāvās uz vienkāršu vienu objektīvu, tagad daudziem tālruņiem ir vairākas kameras, lieli sensori, uzlabota attēlu apstrāde un funkcijas, kas kādreiz bija pieejamas tikai profesionālās kamerās. Viens no aizraujošākajiem jauninājumiem ir optiskā tālummaiņa — iespēja palielināt attēlu, krasi neupurējot detaļas, piemēram, digitālo tālummaiņu. Taču optiskās tālummaiņas nodrošināšana tik plānā ierīcē kā viedtālrunis nav viegls uzdevums. Šajā rakstā ir aplūkota viedtālruņu optiskās tālummaiņas kameru tehnoloģija, sākot no optiskajiem principiem un objektīva dizaina līdz periskopa mehānismiem un stabilizācijai, kā arī ražošanas izaicinājumiem.
1. Optiskās tālummaiņas un digitālās tālummaiņas izpratne
Optiskā tālummaiņa nozīmē, ka palielinājums tiek panākts, mainot fokusa attālumu, izmantojot objektīva elementus. Tā kā gaisma tiek fiziski "pastiprināta", pirms tā sasniedz sensoru, attēla kvalitāte saglabājas augsta: detaļas tiek labāk saglabātas, troksnis tiek labāk kontrolēts un asums ir vienmērīgāks.
Turpretī digitālā tālummaiņa būtībā apgriež un palielina attēla laukumu no sensora un pēc tam to uzlabo, izmantojot algoritmu. Rezultāts bieži izskatās izplūdis vai pikseļots, īpaši pie lieliem palielinājumiem, jo netiek iekļauta papildu optiskā informācija.
Tāpēc viedtālruņu ražotāji sacenšas, lai piedāvātu teleobjektīvus (2x–3x) un pat periskopu sistēmas (5x–10x), lai lietotāji varētu fotografēt no attāluma, nezaudējot kvalitāti.
2. Galvenā atslēga: fokusa attāluma un viedtālruņa biezuma ierobežojumi
Tradicionālajās kamerās optiskajai tālummaiņai ir nepieciešama fiziska telpa, lai pārvietotu objektīvu uz priekšu un atpakaļ. DSLR vai bezspoguļa kamerām ir biezāks korpuss, kas nodrošina lielāku elastību, mainot attālumu starp objektīva elementiem.
Viedtālruņi saskaras ar ievērojamu izaicinājumu: vieta ir ārkārtīgi ierobežota (parasti aptuveni 7–9 mm biezumā). Lai sasniegtu lielu optisko palielinājumu, ir nepieciešams lielāks fokusa attālums, taču arī šim fokusa attālumam ir nepieciešama lielāka vieta. Šeit noder mūsdienu optiskā inženierija.
3. Viedtālruņa tālummaiņas pieejas: fiksēts telefoto un maināma tālummaiņa
Parasti optisko tālummaiņu var nodrošināt divos veidos:
1. Fiksēts telefoto (fiksēts palielinājums)
Daudzi viedtālruņi izmanto telekameras ar fiksētu palielinājumu, piemēram, 2x vai 3x. To ir vieglāk ieviest, jo modulim nav jāpārvietojas visā tālummaiņas diapazonā; tam tikai jāfokusējas.
2. Maināma optiskā tālummaiņa (patiesa tālummaiņa)
Sarežģītāk, jo fokusa attāluma maiņai ir nepieciešams pārvietojams objektīva elements. Daži augstākās klases viedtālruņi sāk to ieviest (piemēram, 3,5x–7x diapazons), taču to skaits joprojām ir ierobežots mehānisku, izmaksu un izturības problēmu dēļ.
4. Periskopa tehnoloģija: gaismas ceļu pagriešana, lai tie ietilptu viedtālrunī
Slavenākais viedtālruņu augstas optiskās tālummaiņas jauninājums ir periskopa kamera. Princips:
– Gaisma ieplūst no viedtālruņa aizmugurējā objektīva.
– Tad to 90 grādu leņķī atstaro prizma vai spogulis (parasti prizma).
– Pēc tam gaisma pārvietojas paralēli viedtālruņa korpusam (horizontāli), nevis caur tālruņa biezumu.
"Salokot" gaismas ceļu, ražotāji var pievienot garāku teleobjektīvu masīvu, nepadarot tālruni biezāku. Tāpēc periskopi var sasniegt 5x līdz 10x optisko tālummaiņu.
Svarīgākās periskopa sastāvdaļas:
– Augstas kvalitātes prizma/spogulis: jābūt precīzam, lai nemazinātu asumu un kontrastu.
– Teleobjektīva mezgls: parasti sastāv no vairākiem plastmasas un/vai stikla elementiem.
– Sensors: bieži izmanto pielāgotu sensora izmēru, jo moduļa vieta ir ierobežota.
– Fokusēšanas un stabilizācijas sistēma: ļoti svarīga, jo lielā palielinājumā pat mazas vibrācijas izskatās lielas.
5. Objektīva dizains: materiāli un optisko elementu izvietojums
Optiskās tālummaiņas objektīva izveide viedtālrunī nozīmē tāda optiskā izkārtojuma izstrādi, kas:
– asas centrā un malās,
– minimāla deformācija,
– minimāla hromatiskā aberācija (krāsu izkropļošana),
– saglabājas spilgts (diafragmas atvērums ir pietiekami liels),
– un joprojām ir plāns un triecienizturīgs.
Objektīva materiāls
Lielākajā daļā viedtālruņu lēcu tiek izmantota optiskā polimēra plastmasa, jo tā ir viegla, lēta un viegli veidojama ar augstu precizitāti. Tomēr augstākās klases telefoto/periskopa moduļiem daži ražotāji izmanto stikla elementus vai īpašus materiālus, lai uzlabotu gaismas caurlaidību un samazinātu kropļojumus.
Elementu izkārtojums
Teleobjektīvi parasti sastāv no vairākiem asfēriskiem elementiem. Asfēriski elementi var samazināt aberācijas, izmantojot mazāk elementu, kas ir svarīgi vietas taupīšanai.
6. Autofokuss: VCM un moderna fokusēšanas tehnoloģija
Optiskā tālummaiņa ir noderīga tikai tad, ja fokusēšana ir ātra un precīza. Viedtālruņu fokusēšanas sistēmas parasti izmanto:
– VCM (balss spoles motors): miniatūrs elektromagnētisks motors, kas pārvieto objektīvu fokusēšanai.
– Divu pikseļu PDAF vai četru pikseļu PDAF: sensoru tehnoloģija, kas palīdz noteikt fāzi ātrai fokusēšanai.
– Lāzera autofokuss (dažos modeļos): palīdz ātri izmērīt attālumus tumšos apstākļos vai tuviem objektiem.
Telefoto kamerās autofokusam jābūt precīzākam, jo asuma dziļums var būt šaurāks, un nelielas vibrācijas ir labāk pamanāmas.
7. OIS optiskajā tālummaiņā: stabilizācija ir sarežģītāka
Pie lieliem fokusa attālumiem galvenā problēma ir roku trīcēšana. Tāpēc telefoto/periskopa moduļiem bieži ir OIS (optiskā attēla stabilizācija).
Pastāv divas vispārīgas pieejas:
– Objektīva nobīdes optiskā attēla stabilizācija: objektīva elementi tiek pārvietoti, lai kompensētu vibrācijas.
– Sensora nobīdes OIS: sensors tiek pārvietots (biežāk sastopams lielās kamerās, tagad sāk parādīties arī atsevišķos viedtālruņos).
Periskopiem OIS ir sarežģītāks ierobežotās telpas un "salocītā" gaismas ceļa dēļ. Mehānismam jābūt ārkārtīgi precīzam un triecienizturīgam.
8. Ražošanas process: augsta precizitāte mini mērogā
Viedtālruņa optiskās tālummaiņas moduļa ražošana ietver vairākus svarīgus procesus:
1. Objektīva elementu drukāšana/ražošana
Plastmasas elementi tiek formēti, izmantojot precīzu iesmidzināšanas formēšanu. Stikla gadījumā process ir sarežģītāks, ieskaitot slīpēšanu un pulēšanu.
2. Pretatstarojošs pārklājums
Lai samazinātu iekšējos atstarojumus un palielinātu kontrastu, tiek uzklāts plāns pārklājums, kas ir īpaši svarīgi periskopu sistēmās, kur atstarojumu var būt daudz vairāk.
3. Moduļa montāža (izlīdzināšana)
Šis ir kritiski svarīgs solis. Objektīvam, prizmai un sensoram jābūt saskaņotiem ar mikrometra pielaidēm. Pat mazākā kļūda var samazināt asumu un izraisīt kropļojumus.
4. Rūpnīcas kalibrēšana
Pēc salikšanas modulis tiek kalibrēts fokusa, optiskās asināšanas (OIS), deformācijas, vinjetes un krāsu raksturlielumu noteikšanai. Šos kalibrēšanas datus kameras programmatūra izmanto korekcijai reāllaikā.
9. Galvenās problēmas: gaisma, troksnis un kvalitāte pie lielas tālummaiņas
Lai gan optiskā tālummaiņa palielina detaļu skaitu, tā rada arī izaicinājumus:
– Mazāka apertūra telefoto/periskopa objektīviem: Lai nodrošinātu piemērotību, objektīviem bieži vien ir šaurāka apertūra nekā galvenajām kamerām. Tas apgrūtina nakts fotografēšanu, jo iekļūst mazāk gaismas.
– Mazāks sensora izmērs: telefoto moduļi bieži izmanto mazākus sensorus nekā galvenā kamera.
– Difrakcija un aberācija: mini dizainos aberāciju kontrole ir sarežģītāka.
– Kameras pārslēgšana: kad lietotājs maina tālummaiņu “starp” 1x un 3x, tālrunis var izvēlēties galveno vai telekameru un pēc tam veikt hibrīdapstrādi.
Lai pārvarētu šos trūkumus, ražotāji izmanto šādus rīkus:
– vairāku kadru sakraušana (vairāku fotoattēlu apvienošana),
– superizšķirtspēja,
– Mākslīgā intelekta trokšņu slāpēšana,
— HDR,
– un hibrīda tālummaiņa (apvienota optiskā + viedā apgriešana).
10. Nākotne: patiesi nepārtraukta tālummaiņa un plānāki dizaini
Turpmāk varētu attīstīties šādas tendences:
– nepārtraukta optiskā tālummaiņa ar plašāku diapazonu,
– spilgtāks periskopa modulis (lielāka apertūra),
– Spēcīgāka optiskā attēla stabilizācija (OIS),
– lielāks telefoto sensors,
– kā arī efektīvāks salocītas optikas lēcas dizains.
Turklāt arvien vairāk ražotāju apvienos optiskās iespējas ar skaitļošanas apstrādi: tālummaiņas rezultāts būs atkarīgs ne tikai no objektīva, bet arī no programmatūras intelekta, kas dabiskākā veidā “aizpilda” detaļas.
Secinājums
Viedtālruņu optiskās tālummaiņas kameru tehnoloģija ir optiskās inženierijas, precīzās mehānikas un skaitļošanas fotogrāfijas apvienojums. Lai plānā korpusā nodrošinātu lielu optisko palielinājumu, ražotāji izmanto fiksētus teleobjektīvus, periskopa mehānismus (salocītas optikas), miniatūras asfēriskas lēcas, ātru autofokusu un precīzu optisko attēla stabilizāciju (OIS). Neskatoties uz gaismas un telpas radītajiem izaicinājumiem, inovācijas turpina attīstīties, tuvinot viedtālruņu kameras specializēto kameru iespējām — ar ērtībām, ka tās vienmēr ir jūsu kabatā.
Ja vēlaties, varu pievienot īpašas sadaļas, piemēram: periskopa un parastā teleobjektīva salīdzinājums, 5x/10x moduļa arhitektūras piemēri vai vairāk tehnisku skaidrojumu par fokusa attāluma un diafragmas atvēruma formulām mini sistēmās.
