Обманули физику: новая технология однолинзовых объективов обещает улучшить камеры смартфонов

Камера в первом iPhone 2007 года имела разрешение всего 2 Мп. Сегодня в смартфонах можно обнаружить целый массив камер на передней и задних сторонах, некоторые из которых могут похвастать разрешением вплоть до 108 Мп. Вдобавок за десяток лет сильно продвинулось ПО в области вычислительной фотографии, но вот объективы в целом остались прежними. Но это обязательно изменится.

Olly Curtis | Getty Images

Новая компания под названием Metalenz ставит целью принципиально улучшить камеры смартфонов, заменив современные группы линз в объективах на одну плоскую лизну, состоящую из наноструктур. По словам компании, камера с такой линзой точно так же фокусирует изображение, но собирает при этом больше света для получения более качественных фотографий. Вдобавок, технология позволяет сделать модули камер куда компактнее.

Сегодня каждая камера смартфона имеет несколько линз (элементов объектива), установленных друг после друга. В iPhone 12 Pro, например, основной модуль тыльной камеры использует объектив из семи линз. За счёт системы линз производители добиваются компактности конструкции и одновременно резкого сфокусированного изображения на матрице.

Массив модулей камер, оснащённых линзами Metalenz (Julian Knight)

«Оптика, обычно используемая в современных смартфонах, состоит из четырёх-семи линз, — отметил Оливер Шиндельбек (Oliver Schindelbeck), менеджер по новациям известного своими качественными линзами производителя оптики Zeiss. — Если у вас только одна линза, просто по физическим законам в изображении будут аберрации или дисторсии из-за дисперсии и дифракции».

Больше линз позволяет производителям компенсировать такие проблемы как хроматические аберрации (расслоение цветов на краях изображения) или дисторсии объектива (когда прямые линии на фотографии выглядят изогнутыми). Однако для размещения линз поверх друг друга требуется больше пространства внутри модуля камеры. Это — одна из многих причин, по которым «выступ» камеры на смартфонах с годами становится всё больше и больше.

«Чем больше элементов объектива необходимо уместить в камеру, тем больше места потребуется», — отметил господин Шиндельбек. Другой причиной является использование всё более крупных датчиков изображения и зум-объективов. «Оптика в смартфонах стала более сложной, было добавлено больше линз, включая асферические элементы, чтобы добиться необходимого уменьшения пространства, но за последние 10 лет в этой области не было революции», — подчеркнул Оливер Шиндельбек.

Здесь на помощь и приходит Metalenz. Вместо пластиковых или стеклянных элементов линз, наложенных друг на друга над датчиком изображения, в конструкции Metalenz используется одна линза, построенная на стеклянной пластине габаритами от 1×1 до 3×3 мм. Пластина состоит из наноструктур размером в одну тысячную ширины человеческого волоса — они изгибают световые лучи таким образом, что устраняются многие недостатки классических однолинзовых систем.

Модули камер, оснащённых линзами Metalenz вблизи (Julian Knight)

Основа технологии была разработана в результате десятков лет исследований — раньше соучредитель и исполнительный директор Metalenz Роберт Девлин (Robert Devlin) работал над докторской степенью в Гарвардском университете вместе с известным физиком и соучредителем Metalenz Федерико Капассо (Federico Capasso). Сама же компания была создана в 2017 году.

Свет проходит через наноструктуры, которые на микроскопическом уровне выглядят как миллионы кругов разного диаметра. Господин Девлин отметил, что управлять световым потоком, добиваясь нужного результата и преломляя заданным образом лучи, можно просто меняя размер таких кругов. Результирующее изображение будет столь же чётким, как и у системы с множеством линз: наноструктуры возьмут на себя работу по уменьшению или устранению многих аберраций, ухудшающих качество изображения, характерных для традиционных камер. Причём дизайн не только экономит место, что уже было бы прорывом: разработчики утверждают, что новый подход позволяет улавливать и направлять на датчик изображения больше света, получая более яркие и чёткие изображения даже при недостаточном освещении.

Многие перспективные технологии остаются надолго на бумаге. Но в случае с Metalenz, похоже, можно ожидать иного. Компания уже заключила партнёрские отношения с двумя лидерами в области производства полупроводников (которые в настоящее время могут производить миллион модулей Metalenz в день). Оптика выпускается на тех же заводах, где и собираются потребительские устройства, что упрощает цепочки поставок.

Серийное производство планируется начать к концу года. Вначале эта система найдёт применение в 3D-сенсоре в некоем смартфоне (ни партнёры, ни производитель смартфона пока не называются). Metalenz утверждает, что её технология может найти применение и за пределами смартфонов: в медицинских приборах, в камерах дополненной и виртуальной реальности, в камерах автомобилей и так далее.