Новая оптика Apple

На протяжении нескольких последних лет ключевым фактором в конкуренции между производителями мобильных телефонов являются их камеры. Оценив продажи смартфонов Apple IPhone, Samsung Galaxy, LG, Nokia и HTC можно заключить, насколько велико значения мобильной оптики для их производителей. Потребители же в свою очередь ожидают отличного качества и высокого разрешения, как для задней камеры, так и для фронтальной. В результате разработчики и производители мобильной оптики постоянно пытаются улучшить максимальное разрешение, чувствительность, цветопередачу, стабилизацию изображения и автофокусировку.

На волне популярности мобильных устройств зародилась целая ветвь индустрии, для которой развитие оптики мобильных телефонов является одним из факторов собственного процветания. Появилось довольно большое количество компаний разрабатывающих и реализующих дополнительную оптику для мобильных телефонов, которая или расширяет параметры последних или добавляет новые функции. Вот пару примеров:

• Photojojo — компания, которая вкладывает деньги в разработку и продажу различных аксессуаров для мобильных телефонов, в том числе и дополнительной оптики.
• CellScope — компания, занимающаяся разработкой медицинских устройств на базе iPhone. Одной из их разработок является отоскоп.
• SmartVision — компания, которая так же занимается разработкой специальных медицинских аксессуаров для мобильных телефонов. На их сайте можно найти описание прибора для исследования человеческого глаза.

Эти компании, как и рядовые потребители, заинтересованы в развитии мобильной оптики. Но по ряду причин удовлетворить это желание становиться сложнее и сложнее. Одним из факторов тормозящих темпы развития мобильной оптики является ограниченный размер объектива камеры мобильного устройства. На сегодняшний день толщина современного мобильного телефона редко превышает 10 мм. А так как камера размещается внутри корпуса телефона, ее длина, вообще говоря, не должна превышать его толщины. Хотя все чаще и чаще встречаются исключения, при которых корпус камеры немного выступает над крышкой мобильного. Примером может послужить Apple, который, несмотря на свою любовь к гладким плоскостям и плавным линиям, все-таки выпустил телефон с выпирающей камерой — iPhone 6. Причиной стали любовь потребителей к тонким телефонам и их желание получить отличную мобильную оптику.

Может быть, поэтому компания Apple решила вплотную заняться оптикой мобильных устройств. Недавно она представила общественности интересный патент, который содержит несколько заслуживающих внимания идей, способных дать толчок развитию мобильной оптики.

Идеи Apple

Поворотное зеркало

Зеркало, установленное под углом в 45 градусов в передней части оптической системы объектива, позволяет развернуть его оптическую ось на 90 градусов. Как результат, длина объектива перестает быть ограниченной толщиной мобильного устройства. Согласно патенту, теперь она может достигать 32 мм, что позволяет решить некоторые вопросы улучшения качества изображений и расширить функциональность устройства.

Увеличение длины позволяет инженерам-оптикам использовать большее количество линз при проектировании объектива мобильной камеры. Благодаря этому исчезает необходимость в использовании линз со сложными асферическими поверхностями. Это же, в свою очередь, уменьшает влияние огрехов допускаемых при производстве оптических элементов и сборке объектива на качество изображения.

Большая длина объектива делает возможным создание неплохого оптического зума. В патенте для реализации этой идеи рассматривается применение подвижных линз, позволяющих менять фокус объектива в достаточно широких пределах.

Из-за большей длины оптической системы углы распространения лучей относительно оптической оси становятся меньше. Это приводит к уменьшению количества и интенсивности бликов. Вероятность получения паразитных изображений снижается. Уменьшаются потери света, вызванные рассеянием на линзах.

Другое потенциальное преимущество зеркала – возможность его использования для стабилизации изображения. Реализация этой идеи инженерами Apple подробно изложена в другом патенте. Здесь же отметим, что для управления зеркалом используются магнит и электрические катушки. Обратная связь осуществляется при помощи датчиков Холла. Предполагается, что предложенная конструкция позволит существенно уменьшить влияние дрожания камеры на качество получаемого изображения.

Светоделительная призма

Согласно патенту, светоделительная призма располагается в задней части объектива. Она представляет собой куб, состоящий из четырех треугольных призм. Основой каждой призмы служит равнобедренный прямоугольный треугольник. Основная функция этой призмы — разделение оптического канала на три.

Каждый из трех каналов предназначен для работы с определенным оптическим диапазоном длин волн (цветом) — красный, синий и зеленый. Для каждого из каналов предусмотрено использование отдельного сенсора. Цветное изображение, получаемое такой камерой, является результатом обработки трех отдельных изображений.

Такой подход к получению и обработке изображений позволяет отказаться от фильтров Байера, что увеличивает количество света приходящегося на один пиксель почти в три раза. Это прямым образом влияет на чувствительность камеры, увеличивая ее в три раза. Кроме того, множество прочих проблем, связанных с использование фильтра Байера, решаются сами собой, что положительно сказывается на максимально достижимом разрешении камеры.

Авторы разработки отметили, что призма может использоваться не только так, как это было описано выше. При желании, можно расширить диапазон излучения, участвующего в построении изображения, включив в него УФ или ИК-излучение. Так же авторы патента отмечают, что светоделительную призму можно использовать для получения поляризованных изображений без потерь света.

Потенциальные недостатки

Необходимо отметить, что представленная оптическая схема может обладать некоторыми недостатками. Вот некоторые из них:

Толщина мобильного устройства – определяет максимальный диаметр линз

При предложенном расположении камеры, максимальный диаметр линз объектива определяется толщиной мобильного устройства. Чем тоньше устройство, тем меньше диаметр. Поэтому, можно сделать вывод, что поле зрения камер установленных в тонких телефонах может быть сравнительно небольшим. Не исключено, что из-за виньетирования лучей оправами линз или корпусом объектива, авторам устройства придется улучшать равномерность освещенности изображений цифровыми методами.

Толщина мобильного устройства – определяет максимальный размер сенсора

Использование светоделительной призмы предполагает использования трех сенсоров. Хотя бы один из них будет размещаться перпендикулярно мобильному устройству, толщина которого и определит иго размеры. В этом случае придется искать компромисс между размерами толщиной мобильного устройства, разрешением сенсора и его светочувствительностью. Хотя последняя характеристика может компенсироваться тем, что без фильтра Байера на сенсор будет падать гораздо больше света.

Подвижность входного зрачка

Согласно предложенной в патенте конструкции, входной зрачок камеры перемещается при изменении фокуса объектива при зумировании. Это довольно неприятная особенность для производителей дополнительных оптических насадок или объективов для мобильных устройств. Для корректной работы подобных аксессуаров, их выходной зрачок должен совпадать с входным зрачком объектива камеры мобильного устройства. Если входной зрачок камеры перемещается, то и выходной зрачок насадки должен перемещаться вместе с ним. Иначе может наблюдаться неравномерность освещенности в плоскости изображения или даже его экранирование.

Самым простым выходом из этого затруднения может стать фиксирование фокуса камеры мобильного устройства для того, чтобы его входной зрачок оставался неподвижным. Тогда дополнительная оптика, спроектированная для определенного положения зрачка камеры телефона, будет работать без проблем. Или же можно создать адаптивную конструкцию, отслеживающую положение входного зрачка камеры и меняющую положение выходного зрачка оптического аксессуара соответствующим образом. Конечно, второй вариант потребует больших вложений в разработку и производство, но взамен можно ожидать существенного увеличения функциональности конечного устройства.

Заключение

Конструкция и идеи, представленные в патенте Apple – это попытка немого по-другому взглянуть на проблемы мобильной оптики. Несмотря на то, что предложенная конструкция избавляет инженеров-оптиков от ряда ограничений свойственных обычным мобильным камерам, она сама обладает некоторыми недостатками. Не исключено, что светлые головы, работающие в Apple, смогут обойти все потенциальные ограничения и предложить продукт отличающиеся от всего, что мы видели прежде. Голосовать-то, в конце концов, все равно будет потребитель.

P.S. Статья доступна на английском языке — ссылка.