Mail.ruПочтаМой МирОдноклассникиВКонтактеИгрыЗнакомстваНовостиПоискОблакоComboВсе проекты

Будущее мобильных камер зависит от оптики. Как она устроена, и почему линзы скоро станут жидкими?

На презентациях новых смартфонов подолгу восхваляют камеры. Нам рассказывают про сенсоры 50-100 Мп, волшебный ночной режим и потрясающие портреты. А вот оптике уделяют несправедливо мало времени. Хотя технологии завораживают не меньше: жидкие линзы, зеркальные объективы и другие инновации, от которых зависит будущее мобильных камер, уже здесь. Или скоро появятся на рынке. Устраняем этот пробел и рассказываем о сложном простым языком.

Не будем вдаваться в теорию работы цифровой камеры. Все, что нужно знать: изображение — это свет, который проходит через линзу, преломляется и сходится в точке фокусировки. А дальше попадает на матрицу и передается на обработку. Сколько света дойдет до матрицы, зависит от пропускной способности оптики — светосилы. Она обозначается как «f/1.8», «1:1.9» или «f2.0». Запись может отличаться, суть одна: чем меньше это число, тем «светлее» оптика.

Focal length — фокусное расстояние. Фото: B&H Foto and Electronics Corp.

Чаще всего линз несколько, вы можете встретить фразы «группа линз» или «система линз». В смартфонах их обычно 4-7 штук. Зачем так много? Не вдаваясь в подробности: чем больше линз, тем меньше искажений и артефактов будет на финальном кадре. Но слишком много линз, или их низкое качество может повлиять на светосилу. Вечный компромисс, с которым приходится бороться производителям.

Кстати, многие именитые компании, специализирующиеся на производстве камер и оптики десятилетиями (а некоторые — веками), сотрудничают с производителями смартфонов. Например, немецкие Zeiss и Leica, а также шведская фирма Hasselblad. Если видите такую надпись на корпусе, знайте — над камерой трудились лучшие специалисты в своем деле.

Так вот, расстояние от точки фокусировки до матрицы камеры и есть фокусное расстояние (ФР). Наверняка у вас или у кого-то в вашей семье есть фотоаппарат со сменными объективами. На них написано: «18-55 мм», «50 мм» и другие числа. Так обозначается фокусное расстояние. Оно обратно пропорционально углу обзора, или углу захвата изображения: чем короче ФР, тем больше в кадр влезет объектов. Вот простая памятка:

Фото: cctvlens.ru

Значение ФР зависит от размера сенсора и типа оптики. Обычно их считают приведенными к полноформатной камере, размер сенсора которой близок размеру кадра 35-мм пленки. Такой золотой стандарт.

Поэтому, когда в характеристиках мобильной камеры вы видите «26 мм», «70 мм», «135 мм», это означает лишь приведенное к полному формату (или эквивалентное) ФР — чтобы проще понимать. А в реальности эти расстояния намного меньше — из-за маленьких сенсоров. Посмотрите на тонкий корпус своего смартфона: ну какие 70 мм сюда влезут? От силы пара миллиметров.

Надпись на блоке камер Huawei P40 Pro+ гласит: светосила оптики находится в диапазоне f/1.8-4.4; фокусное расстояние — от 18 до 240 мм.

Вот и первый недостаток мобильных камер — нельзя вставить большой сенсор и много линз. Габариты ограничены. Второй недостаток — сложно реализовать регулируемое ФР. Выше мы упомянули объектив «18-55», типичный для любительских камер вроде Canon и Nikon. Такой диапазон означает, что вы можете приближать и отдалять объекты в кадре с помощью лишь одного объектива.

За магию отвечает целая система приводов и подвижных линз, которую легко реализовать в больших камерах, но пока очень сложно — в смартфонах. Были попытки, но аппараты получались громоздкими и неуклюжими. Хотя работы в этом направлении ведутся, и мы наверняка увидим подвижные объективы в смартфонах.

А пока производителям приходится изголяться и устанавливать по несколько модулей: один для съемки с близкого расстояния, второй — для портретов и так далее. Зачем нужен каждый, и как далеко компании продвинулись в развитии оптическим систем, сейчас разберемся.

Ультраширокоугольная камера

«Ультрашириком» называют модуль, у которого эквивалентное ФР менее 21 мм. Когда большое здание или компания друзей не влезают в кадр, вы переключаетесь на «ультраширик».

Слева - горное озеро Брайес, справа - Стельвио, самая красивая дорога в мире по версии Top Gear. Снято на Huawei P30 Pro.

Почему его не делают основным модулем? За широкий угол приходится платить: по краям появляются искажения (эффект «бочки»), падает резкость, а пространство в кадре будто сжимается в центре и растягивается по краям. Это называется искажением перспективы. Попробуйте снять портрет на «ультраширик» с близкого расстояния — получите огромной нос, маленькие уши и крохотные плечи. Снимите здание издалека — оно будет казаться еще дальше. Это не плохо: некоторые профессиональные фотографы используют такую технику и создают шедевры. Но важен опыт.

С эффектом «бочки» производители более-менее научились бороться — с помощью программной обработки. Камера сама «выпрямляет» закругления по краям. Но при этом теряется часть информации, да и алгоритмы работают не идеально — могут появиться артефакты, новые искажения.

Дальше всех продвинулась компания Huawei. В смартфоне Mate 40 Pro+ инженеры внедрили инновацию, о которой мало кто говорит: впервые в «ультраширик» установили линзу произвольной формы.

Это инновация не только среди смартфонов, но и вообще в оптике. Сечение линзы представляет не круг и не эллипс, как это принято, а форму сложной кривизны. Здесь не будем обсуждать историю анаморфных и панаморфных объективов, это тема отдельной статьи. Если интересно, напишите в комментариях.

Особенно результат заметен при съемке группы людей: лица по краям не растягиваются, все девушки довольны

Что дает произвольная форма? Исчезают искажения по краям кадра (дисторсия), увеличивается детализация, резкость. Фото и видео избавляются от паразитной «бочки». Все смартфоны делают это программно, но с дефектами. Mate 40 Pro+ решает проблему в корне, еще до того, как свет достигнет сенсора. Добавим сюда светосилу f/1,9, оптическую стабилизацию и автоматическую фокусировку — и получим прекрасное качество съемки со всеми преимуществами «широкой» оптики.

Широкоугольная камера

«Ширик» появился первым в телефонах и смартфонах, задолго до «зумов» и «ультрашириков». Фокусное расстояние широкоугольной оптики находится в диапазоне 21-35 мм. Все основные камеры смартфонов — широкоугольные, самое популярное значение ФР — 24-27 мм. Именно при таком расстоянии камера захватывает достаточно много деталей и дает меньше искажений.

Это самый ответственный, самый универсальный модуль. На него можно снять и портрет, и ночное фото, и плавное видео. Поэтому к оптике «ширика» всегда особые требования. Она должна быть сверхсветосильной, не менее f/2,0 — чтобы пропускать больше света в темноте за короткий промежуток времени. Высокая светосила также дает красивое размытие при съемке с близкого расстояния.

Снято на Huawei P40 Pro+

Здесь используется наибольшее количество линз — для резкого, сфокусированного изображения без искажений. А оптическая система стабилизации гасит колебания, тряску рук. Ищите аббревиатуру OIS в характеристиках смартфона.

Еще один важный элемент — система фокусировки для получения резкого изображения. Сейчас, в основном, используют три типа систем фокусировки: контрастная (самая простая), фазовая и лазерная (используется во флагманах), а также их комбинации. Все они дают информацию о расстоянии до объекта, а затем с помощью магнитного привода линзы слегка смещаются. Так камера наводится на объект съемки.

Но скоро в смартфонах может появиться новая технология — жидкие линзы (liquid lenses). Еще 20 лет назад французский физик Бруно Берге предложить использовать смесь масла с водой.

Конструкция жидкой линзы. Фото: Edmund Optics

Под напряжением линза мгновенно меняет форму, и камера моментально фокусируется. Вдобавок, система занимает намного меньше места: одна жидкая линза вместо группы из 6-7 «стекляшек». А еще мало весит и очень надежная. Стекло от удара может треснуть, а воде с маслом все нипочем. По слухам, жидкая линза может появиться в следующем флагмане Huawei P50.

Еще более революционный вариант предлагает компания Metalenz. Разработчики планируют заменить группу линз на одну плоскую, состоящую из наноструктур, представляющих собой миллионы кругов изменяемого диаметра.

Массив модулей камер, оснащенных линзами Metalenz. Фото: Justin Knight

Мало того, что такая оптика занимает в разы меньше места, так еще структурой можно управлять — а значит, улавливать нужное количество света. Звучит как фантастика, но Metalenz уже выпускает такие линзы. Правда, заказчик пока неизвестен.

Телеобъектив

В смартфонах телеобъективом называют модуль с эквивалентным ФР > 50 мм, то есть с двукратным оптическим увеличением. Он же телевик, или зум. Камера ФР в диапазоне 50 — 70 мм отлично подходит для съемки портретов, когда пропорции лица и тела получаются естественными. Но главное назначение зума, конечно же, приближать далекие объекты. Чем «длиннее» зум, тем больше вы сможете увеличить изображение без потери качества.

Локомотивом зум-технологий в смартфонах можно по праву называть компанию Huawei. Во флагмане Huawei P20 Pro впервые применили трехкратный оптический зум, в P30 Pro — пятикратный оптический. А в 2020 году инженеры удивили двойным зумом: в Huawei P40 Pro+ установили связку из трехкратного и 10-кратного (!) оптических зумов. Просто оцените диапазон приближения на фото.

Без зума / зум 3х / 10х. Снято на Huawei P40 Pro+.

Оптический зум означает, что увеличение достигается только за счет особого строения группы линз, только за счет законов физики. Гибридный, цифровой зум используют вычислительную фотографию: «додумывают» детали объектов, или просто обрезают кадр. В любом случае, качество падает. С оптическим зумом — нет.

Достичь 10-кратного увеличения — большой успех. Вы уже наверняка догадались, какая тут главная проблема. Ведь ФР такого зума — 250 мм. Как удалось разместить оптику в смартфоне толщиной 9 мм? Посмотрите на фото.

Решение гениальное и изящное одновременно: линзы и сенсор расположены поперек корпуса, и свет проходит до матрицы, отражаясь через пять зеркал. При этом зеркала подвешены на оптический стабилизатор: даже при съемке с большим увеличением получится снять резкий кадр. В итоге весь блок камер по размеру меньше спичечного коробка и слегка выпирает из смартфона. Чтобы получить такой диапазон ФР на фотоаппарате, пришлось бы покупать дорогой парк оптики и таскать с собой 3-5 кг стекла и металла.

Макромодуль

Фотографии букашек, цветов, монет и прочей мелочи «в полный рост» — это заслуга макросъемки. Отдельный модуль часто устанавливают в бюджетные и среднеценовые смартфоны. Например, Huawei P Smart 2021.

Снято на Huawei P30 и Mate 20 Pro.

Фокус, чаще всего, зафиксирован на небольшом расстоянии: 2,5-5 см. У таких модулей обычно высокая светосила (f/2-f/2,4), что вкупе с длинным ФР дает шикарное боке, то есть сильно размытый фон. От этих двух показателей зависит ГРИП — глубина резко изображаемого пространства. Если вы снимали макро, то знаете, как тяжело поймать объект в фокус. Все потому что ГРИП здесь очень узкий.

В смартфонах подороже можно встретить автофокус, с ним снять макрофото намного проще. Но, в любом случае, разрешение сенсоров не превышает 2-5 Мп, что очень мало для высокой детализации. Лучший вариант предлагают смартфоны Huawei P40 Pro и Mate 40 Pro: их ультраширокоугольные камеры могут фокусироваться с близкого расстояния. А так как там стоят качественные сенсоры, есть оптическая стабилизация, и оптика светосильная, то и макро получается отменного качества.

В итоге

Мобильные камеры за последние 10 лет далеко шагнули вперед. Однако прогресс в основном касался сенсоров и алгоритмов обработки, систем стабилизации. А вот принципы строения линз оставались прежними, и в итоге возможности камер уперлись в габариты смартфонов. Новые технологии в области оптики должны изменить ситуацию, многие из них уже применяются. В будущем модули камер станут компактнее, а инновации, доступные лишь флагманам, появятся и в бюджетных аппаратах.

Смартфон Huawei Mate 40 Pro 8/256GB
Процессор: Kirin 9000 • Встроенная память: 256 ГБ
Комментарии
39
Гейзер-ПРО
В ответ на комментарий от Евгений
Евгений
"Компании десятилетиями (а некоторые — веками), сотрудничают с производителями смартфонов. Веками, Карл (Цейс) !
СсылкаПожаловаться
а запятую-то между "- веками)" и "сотрудничают Вы не заметили, Уважаемый! Все правильно написано, только надо еще научиться "читать" правильно!
Позорище! Карл!
СсылкаПожаловаться
Евгений
"Компании десятилетиями (а некоторые — веками), сотрудничают с производителями смартфонов. Веками, Карл (Цейс) !
СсылкаПожаловаться
Александр Засыпкин
В ответ на комментарий от Timur Shirchenko
Timur Shirchenko
Так понял, вся эта информация - это реклама Huawei, потому что других брэндов мобильников не упомянули.
Твари, что-нибудь бывает бескорыстно?
СсылкаПожаловаться
Покупка, - личное желание, этот выбор бескорысти.
СсылкаПожаловаться
Timur Shirchenko
Так понял, вся эта информация - это реклама Huawei, потому что других брэндов мобильников не упомянули.
Твари, что-нибудь бывает бескорыстно?
СсылкаПожаловаться
....
В ответ на комментарий от aleksandr kuzmin
aleksandr kuzmin
Это называется "беситься с жиру". Бывая в сельской провинции, обнаружил, что примерно 90% мобильных там - дешёвые кнопочные, а по опыту эксплуатации айфона убедился, что 90% функций - абсолютно не нужны.
СсылкаПожаловаться
Ну так в любом смарте 90% а возможно и больше функций ненужны !!!
Собственно телефон, будильник, интернет, камера, навигатор..... изредка фонарик.
Ну собственно и все что нужно....... Остальное раз возможно пригодится а чаще нет !
СсылкаПожаловаться
Вольдэмар Сэсэрский
Изобретения мир придумывает.И делов-то -------без ЕГЭ,воровства,кумовства и телефонного права.
СсылкаПожаловаться
Илья Боголюбов
Да, технологии идут вперёд очень быстро последнее время. У меня Хуавей П30 Про, 5х оптика. Шикарные фото получается делать. Рекомендую всем, вещь суперская. Брал на Али в том году за 39 т.р.
СсылкаПожаловаться
Федя Распашкин
мобильники вытеснили фото мыльницы
теперь на очереди зеркальные фото аппараты
Мобильник Сегодня - это датчик разных сервисов
ID2020 Паспорт GPS координаты Фото распознование
СсылкаПожаловаться
александр колотушкин
в 2005 году выпустили в Японии раскладушку - водафон ( шарп ) 903SH c 2х кратным оптическим зумом с мех приводом в объективе , с абсолютно одинаковым качеством фотографировал всю колокольню и только купол с крестом , высота колокольни в Берлюках 88 метров ! с одной точки съёмки ! весь секрет в высококачественной CCD матрице и прекрасном стеклянном объективе !
СсылкаПожаловаться
Ростислав Идрисов
В ответ на комментарий от Ростислав Идрисов
Ростислав Идрисов
Реклама huawei
СсылкаПожаловаться
Только зачем? Распродать остатки своих трубок?
СсылкаПожаловаться
Ростислав Идрисов
Реклама huawei
СсылкаПожаловаться
aleksandr kuzmin
Это называется "беситься с жиру". Бывая в сельской провинции, обнаружил, что примерно 90% мобильных там - дешёвые кнопочные, а по опыту эксплуатации айфона убедился, что 90% функций - абсолютно не нужны.
СсылкаПожаловаться
Иван Тарасенко
Поумничаю...
В принципе автор неплохо написал статью чтобы понятнее было, поскольку та же ФР, а в данном случае задний фокальный отрезок это расстояние от задней главной плоскости объектива до плоскости изображения. Главные плоскости для тонких объективов будут расположены внутри объектива между фронтальными поверхностями. Плоскость изображения сопряжена с плоскостью матрицы.
Искажения и артефакты это абберации
Бочка это дисторсия.
У автора все понятно и картинки красивые с примерами абберации
СсылкаПожаловаться
Сергей
В ответ на комментарий от Tingshen
Tingshen
P.S. Пояснюсь: ФР - расстояние от объектива до объекта съемки, а не толщина объектива.
СсылкаПожаловаться
Чего???
"Объектив - это система, состоящая из нескольких линз. Изображение снимаемого объекта попадает в объектив, преломляется там и сводится в одну точку на определенном расстоянии от задней части объектива. Эта точка называется фокусом (точкой фокусировки), а расстояние от фокуса до линзы (системы линз) называется фокусным расстоянием"
СсылкаПожаловаться
Сергей C
В ответ на комментарий от Вячеслав Реутов История переписки2
Вячеслав Реутов
"даже беззеркалка".... смешно. беззеркалки уже сейчас уделывают зеркалки.
СсылкаПожаловаться
это ты профессиональным фотографам скажи с опытом работы не менее 40 лет))))))))))) , "спец" ))
СсылкаПожаловаться
Иван Остапенко
В ответ на комментарий от vadim dymov
vadim dymov
У автора довольно отдаленное представление об объективах.
Цитирую - Он же телевик, или зум. И с каких это пор телевик стал зумом?
Зум может быть и широкоугольным (Canon EF 11-24mm , а телевик может быть и фиксом (Юпитер 21М 4/200). Так что прежде чем писать, хорошо бы изучить то, о чём пишешь.
СсылкаПожаловаться
У смартфонов телевики всегда (и в народе, и сами производители) называют зумом. Понятно, что когда речь идет о камерах, под зумом обычно понимают объективы с регулируемым ФР. В смартфонах же в 99,99% это фикс, у которого ФР > ФР основного модуля. Двукратный зум, пятикратный зум и так далее.
СсылкаПожаловаться
Dmitriy
В ответ на комментарий от Вячеслав Реутов История переписки4
Вячеслав Реутов
простите, но учить уже мне приходится... имею в наличии d3 d4 d4s и беззеркалочку z6 от святого отца Никона. Есть с чем сравнивать да и под 20 лет опыта хватает. на беззеркалку снимаю 99% своих съемок.
СсылкаПожаловаться
А я и не против беззеркалок, я против выставления того, что мобилка круче. Я сам снимаю более 20 лет и по мне нормальное стекло (про руки и голову не говорю, это априори) решает. И с зеркалом и без. Правда у меня техника сапоп, но тут уж на вкус и цвет...
СсылкаПожаловаться
Вячеслав Реутов
В ответ на комментарий от Вячеслав Реутов История переписки4
Вячеслав Реутов
простите, но учить уже мне приходится... имею в наличии d3 d4 d4s и беззеркалочку z6 от святого отца Никона. Есть с чем сравнивать да и под 20 лет опыта хватает. на беззеркалку снимаю 99% своих съемок.
СсылкаПожаловаться
простите, забыл d5 еще указать :(((
СсылкаПожаловаться
Вячеслав Реутов
В ответ на комментарий от zabar
zabar
"Беззеркалки", которые сейчас повсюду рекламируются, имеют один, но очень критический недостаток: прямое попадание солнечного или очень яркого источника света через объектив, напрочь "сжигает" матрицу, которая в "зеркальных" защищена наличием того же самого зеркала.
СсылкаПожаловаться
сжигает? напрочь... можно пример? для того чтоб сжечь нужно простите, сфокусировать в точку весь поток света. в точку, Карл, а не по всей поверхности матрицы.
СсылкаПожаловаться
Вячеслав Реутов
В ответ на комментарий от Dmitriy История переписки3
Dmitriy
Ну тут тоже все понятно... Причем тут наличие или отсутствие механики с зеркалом? Матрицы те же, а главное оптика. А есть ли там зеркало или нет - тут роли не играет. Учите матчасть!!! И опыт имейте с подобной техникой.
СсылкаПожаловаться
простите, но учить уже мне приходится... имею в наличии d3 d4 d4s и беззеркалочку z6 от святого отца Никона. Есть с чем сравнивать да и под 20 лет опыта хватает. на беззеркалку снимаю 99% своих съемок.
СсылкаПожаловаться
Чтобы оставить комментарий, вам нужно авторизоваться.
Вы не ввели текст комментария
Вы не ввели текст комментария
Обнаружили ошибку? Выделите ее и нажмите Ctrl+Enter.
Подпишитесь на нас