Иногда просто поражает на что способны современные инженерные решения. Создается ощущение, что человеку подвластно вообще все, достаточно просто поискать другой подход к проблеме. Только что Xiaomi опять выстрелили с новой технологией в своем новом складном флагмане Mi MIX Fold. И нет, я не про сам складной экран? тут скорее надо сказать спасибо Samsung, а про телезум камеру, а точнее про ее линзу. Возможно вы это пропустили, но там используется жидкая оптика абсолютно нового поколения, которая способна изменять кривизну линзы!
Сегодня мы объясним, как это работает и чего стоит ждать нам в будущем от этой технологии?
Что это — новая революция или очередная бесполезная технология? Ведь потенциально она сможет изменить всю мобильную фотографию…
Фокусное расстояние
Все вы прекрасно знаете, что камере смартфона, да и любой другой камере, нужно фокусироваться. Фокусировка очень важна, иначе любая фотография будет размытой.
Кроме фокусировки на качество получаемой фотографии влияют и такие оптические явления, как сферическая и хроматографическая абберации. И все это надо учитывать и корректировать в фотоаппаратах, а точнее в оптической системе их объективов.
В больших фотоаппаратах этот процесс относительно понятен. Большие размеры объективов позволяют вставить туда множество различных линз, и кроме коррекции изображения они позволяют играть с фокусным расстоянием, тем самым позволяя приближать изображение. Но это все делает объективы большими и тяжелым.
Однако в случае с камерами телефонов все намного сложнее и главным образом это связано с физическими ограничениями в размерах самих телефонов. Тот же телевик в карман не запихнешь, а фотографировать крутые кадры все равно хочется.
Первые телефоны вообще не умели фокусироваться и ситуацию спасала только маленькая диафрагма, что давало большие значения глубины резкости. Это позволяло не думать о фокусе, в том числе и потому что разрешение матриц было очень маленьким. Я говорю о тех самых камерах разрешением на 1,3 и 2 мегапикcеля, которые были в Siemens и Sony Ericsson. Но люди хотели снимать все больше и с хорошим качеством. А спрос, как известно рождает предложение.
С увеличением разрешения матриц, да и вообще качества мобильной фотографии, без фокусировки было уже ни куда. А для фокусировки нужно двигать линзы — все-таки против законов физики не попрешь.
И начиная со знаменитой Nokia N90 появилась возможность фокусировки изображения на матрице.
Понятное дело, что в телефонах, в особенности современных, война идет за каждый миллиметр и тут нет возможности вставлять огромные объективы, как в старые Nokia или как в Samsung К-серии.
Помянем разъем для наушников во флагманах, который и пал жертвой экономии места. Но как тогда фокусировать, если места нет, а двигать надо?
Тут на помощь приходят так называемые Микро-Электромеханические системы, или просто Мемсы.
Мемсы это очень маленькие и сложные механические системы, которые позволяют совершать различные физические движения. Это такие микроскопические машины и они очень много где применяются, в частности — в камерах всех современных телефонов именно для того, чтобы фокусировать изображение на матрице! Кроме того они же и занимаются оптической стабилизацией камеры вашего телефона. Варианты есть разные, и у разных производителей они свои, но принцип используется один и тот же, когда твердые линзы двигаются с использованием мемсов.
“Жидкие” линзы
И тут мы наконец-то переходим к “жидким” линзам, а точнее правильнее будет их назвать линзами с возможностью настройки кривизны.
Изменение кривизны линзы позволяет менять фокусное расстояние. Именно так работает наш глаз, точнее хрусталик глаза, где меняется его кривизна, которая позволяет нам фокусироваться на объектах, которые очень близко, так и смотреть далеко вперед!
Медики давно научились делать искусственные линзы такого типа, достаточно вспомнить операцию по замене хрусталика глаза. Это и дало инженерам идею, что можно сделать что-то подобное, но для искусственных глаз, то есть для наших с вами фотокамер! И они их сделали, даже несколько типов.
Условно их можно разделить на две большие группы — механические и электрические линзы.
Фактически такая линза может полностью менять свою кривизну и становиться из вогнутой — выпуклой.
Понятно что Xiaomi показали нам всего лишь рендер, но придется разбираться на основе тех крох информации, что есть. Мы видим, что есть катушка индуктивности, а сама линза вместе с рамкой совершает вертикальное движение. Это дает нам понимание что искривление линзы будет происходить механически, почти как у нас с вами в глазу!
Большинство механических линз искривляется за счет маленькой камеры, покрытой тонкой гибкой мембраной, которая может быть толщиной в несколько сотен нанометров! А сама Мембрана искривляется именно при изменении давления в камере посредством внешнего движения, оно здесь явно обеспечивается катушкой, которую мы видим в ролике.
Уменьшили объем опустив линзу — она выгнулась, увеличили — вогнулась. Круто!
В принципе есть множество различных вариантов материалов для этих линз, главное чтобы они были прозрачными, гибкими и с разным показателем преломления. Это может быть жидкость или какой-то газ, а также их комбинация. Хороший пример — это конечно же карандаш в стакане с водой или вода налитая в пластиковый пакет.
Так а что насчет второго способа — электрического?
Есть простой эксперимент: берёте расчёску, трёте её о синтетическое или шерстяное полотенце, в теории даже можно о волос. Далее открываете кран с водой, но очень тонкой и слабой струйкой. Так вот, когда вы подносите расчёску острыми кончиками, то из-за заряда статического электричества, который мы получили с помощью трения, струя будет изгибаться.
Это происходит из-за того, что есть накопленный статический заряд, который создает локальное электрическое поле, что и приводит к тому, что вода, притягивается.
Тоже самое произойдет есть взять каплю воды, поместить на поверхность и приложить напряжение.
Получается что из-за приложенного напряжения шарик воды как бы изменяет свою кривизну, а это именно то, что нам и нужно, для того чтобы менять фокусное расстояние!
Этот процесс называется электросмачиванием и был открыт еще в 1875 году французским ученым Габриэлем Липманом.
Но если просто запихнуть каплю воды в камеру вашего смартфона, то скорее всего что-то внутри закоротит. Получается, что каплю надо как-то закрепить внутри вашего девайса. Для этого создается маленький прозрачный контейнер, куда наливается вода и масло одинаковой плотности. Вода и масло необходимы, чтобы линза была стабильной при любом угле использования, ведь мы должны учитывать гравитацию и то, что линза может меняться.
В результате при подаче напряжения происходит искривление линзы, а меняя само напряжение можно его контролировать!
В общем, вы поняли к чему мы клоним. В теории не будет больше никаких четырёх или пяти камер в смартфонах, которые необходимы для макро, зума или ширика. В будущем это все будет просто в одном объективе! Ну или максимум в двух. А это освобождает огромное пространство внутри наших смартфонов, то есть можно увеличивать размер самих матриц, ну или поставить батарейку большей ёмкости. Вернут ли миниджек, раз место свободное появится?!
Самое интересное, что такие линзы — не современная технология, они уже используются в производстве, в профессиональном оборудовании.
Например, сканеры штрих-кодов которые уже довольно давно используют жидкие линзы с электрической подстройкой. Им нужно быстро сфокусироваться на штрих-кодах с разного расстояния. Жидкие линзы упрощают эту задачу, поскольку они могут практически мгновенно это сделать.
Мы с вами уже узнали, что в новых китайских флагманах стоит система с механическим искривлением кривизны, однако заявлена возможность переключаться всего между двумя режимами — трёхкратным оптическим зумом и макро. То есть нет, мы не получили одну единственную камеру вместо всех!
Безусловно это уже впечатляет, правда до тонкой подстройки еще далеко. Да и надежность механизма не очень ясна, так как там много движущихся частей, а сама мембрана очень нежная. Однако компания заявляет, что линза будет работать в температурах от -40 до +60 градусов, что говорит нам о том, что скорее всего там используется не вода, а специальное прозрачное масло.
Другая китайская компания — HUAWEI, кстати, тоже еще в конце 2020 года запатентовала подобную технологию и из картинок мы можем понять, что они тоже реализуют механический подход. Ждем в новом P50!
Вывод
Что ж, давайте подведем итоги. Главный плюс всей технологии — это конечно возможность изменения фокусного расстояния, а в случае электрических линз очень быстрое изменение, всего за миллисекунды, кроме того электрические линзы очень надежны и энергоэффективны. Но естественно есть и ложка дегтя в этой бочке меда — цена и сложности в производстве.
Модули камер скорее всего станут сильно дороже, и не очень понятно, что случится с вашим новым Mi MIX Fold если его его уронить на кафельный пол.
Судя по всему, и сами Xiaomi не очень уверены в собственной технологии, так как поставили такую линзу только на вспомогательный объектив.
В любом случае мы думаем, что это серьезный шаг для индустрии, осталось только подержать ее в руках и понять на что она способна… А дальше, надеемся, что Samsung и Apple уже подтянутся со своими возможностями и мы, возможно, увидим небольшую революцию в мобильной фотографии.
Кроме того надо сказать, что в самой жидкости нет движущихся частей — то есть там нечему ломаться! Такая система надежна и основана на фундаментальных законах физики и сможет служить годами! Ну конечно если ваша линза не треснет, тогда даже банка с рисом не поможет, для просушки.
Ну и напоследок — они энергоэффективны и для перефокусировки требуется небольшое количество энергии, а сама линза умеет сохранять свое состояние!
