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

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.

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:

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.

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».

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.

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.

«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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.