Teleobiektywy peryskopowe zapewniają nawet 10-krotne przybliżenie optyczne w smartfonach, minimalizując jednocześnie hałas. Oto jak działają kamery peryskopowe.
Aparaty są niezbędne w telefonach. Od czasu wynalezienia pierwszego telefonu z aparatem aparaty odgrywały tak kluczową rolę w budowaniu marki telefonów, że wiele firm czerpie zyski wyłącznie ze zdolności swoich urządzeń do rejestrowania Perfekcyjny w pikselach (gra słów zdecydowanie zamierzona) fotografie. W ostatnich latach producenci telefonów skierowali swoją twórczą energię na ulepszanie aparatów i umieszczanie większej liczby czujników w smartfonach. Ewidentnym rezultatem jest fenomenalny wzrost konkurencji pomiędzy markami w oferowaniu większej liczby aparatów za mniejsze pieniądze. Innowacja okazała się kluczem do przetrwania w tym konkurencyjnym środowisku, a jedna z technologii aparatów okazała się kluczem do sukcesu uosobienie innowacji to kamery z zoomem peryskopowym. Dzięki natychmiastowemu powiększeniu optycznemu 5X lub 10X peryskopowe teleobiektywy ułatwiają szybkie i łatwe powiększanie dali.
W artykule omówiono zastosowania kamer z zoomem peryskopowym, ich zalety i wady oraz potencjalną przyszłość kamer z zoomem peryskopowym. Zanim jednak zaczniemy od najnowszych trendów, oto krótki przegląd tego, co mogło doprowadzić do powstania tej innowacji.
Krótka historia teleobiektywów w smartfonach
Chociaż Apple nie był pierwszym, który wprowadził koncepcję więcej niż jeden aparat w telefonach, firmie z pewnością należy się uznanie za spopularyzowanie tego pomysłu i zainspirowanie innych do włączenia się w modę. Będąc przez długi czas liderem fotografii smartfonowej, firma Apple wprowadziła w 2016 roku teleobiektyw z 2-krotnym zoomem optycznym w iPhonie 7 Plus. Oprócz zoomu optycznego ten teleobiektyw był również używany do rejestrowania danych o głębi tła w przypadku zdjęć portretowych.
Jednak producenci smartfonów już od dawna starają się przybliżać odległe obiekty. W 2013 roku Nokia wprowadziła Lumię 1020 z aparatem 41 MP. Chociaż ta flagowa Lumia nie obsługiwała żadnego zoomu optycznego, ogromny obraz z czujnika 41 MP można było przyciąć, aby emulować pseudozoom. Do tej pory marki smartfonów stosują podobne strategię promowania kamer o dużej liczbie megapikseli, na przykład 64 MP lub 108 MP.
W międzyczasie niektóre marki również wkrótce eksperymentowały z rzeczywistymi konfiguracjami ruchomych obiektywów, podobnymi do aparatów typu „wyceluj i zrób zdjęcie”. Na przykład Samsung wypuścił Galaxy S4 Zoom w 2013 roku z wystającym obiektywem z 10-krotnym zoomem optycznym i ksenonową lampą błyskową. Cofający się obiektyw i ksenonowa lampa błyskowa doprowadziły do tak dużego podobieństwa do aparatu typu „wyceluj i zrób zdjęcie”, że Galaxy S4 Zoom słusznie można nazwać aparatem działającym na Androidzie i obsługującym łączność komórkową. The Galaxy K Zoom poszedł za nim, wystartował w następnym roku.
Koncepcja aparatu peryskopowego w smartfonie pozostawała dość nowatorska, dopóki Huawei nie spopularyzował jej, wypuszczając Huawei P30 Pro w marcu 2019 r. W ten sposób stali się pierwszą marką, która zaoferowała to komercyjnie. Huawei P30 Pro, jak widzieliśmy w naszym szczegółowa recenzja aparatu telefonu, mógł robić zdjęcia przy powiększeniu do 50x. Jednak Huawei nie był pierwszą marką, która eksperymentowała z tym pomysłem – to OPPO jako pierwsza zaprezentowała możliwości optycznego zoomu aparatu peryskopowego na targach MWC 2017. Pomimo wczesnego wprowadzenia, opracowanie technologii zajęło dwa lata dojść do wniosku.
Kilka miesięcy po Huawei P30 Pro OPPO wprowadziło OPPO Reno 10X Zoom Edition z podobną konfiguracją peryskopowego teleobiektywu. W tym samym czasie, Samsung rozpoczął masową produkcję aparatów peryskopowych aby inni producenci dołączyli do wyścigu.
Zanim jednak poznamy telefony wyposażone w tę technologię, przyjrzyjmy się, jak ona działa i jaką rolę odgrywa peryskop w module teleobiektywu.
Co to jest kamera z zoomem peryskopowym?
Zgodnie z podręcznikową definicją peryskop to przyrząd optyczny, który pozwala każdemu widzieć wokół przeszkody tak, aby nie był on widoczny. Tradycyjnie obejmuje lustra odbijające lub pryzmaty załamujące światło pod kątem prostym, dzięki czemu ludzie mogą zobaczyć, co znajduje się powyżej lub poniżej ich rzeczywistej linii wzroku. Peryskopy są używane w pojazdach opancerzonych, takich jak czołgi i łodzie podwodne, od kilkudziesięciu lat. Sam instrument jest nieszkodliwy i można go również wykorzystać do prostych, zabawnych eksperymentów naukowych.
Aplikacja nie różni się zbytnio od aparatów w smartfonach. W przeciwieństwie do standardowych teleobiektywów oferujących zoom optyczny 2X lub 3X, aparaty peryskopowe zazwyczaj oferują zoom 5X lub 10X dzięki zastosowaniu więcej niż jednego obiektywu wraz z czujnikiem aparatu. Rolą peryskopu jest pomoc w umieszczeniu szeregu soczewek bez drastycznego zwiększania grubości smartfona.
Aby zrozumieć rolę peryskopu w module kamery, wizualizuj smartfon w układzie 3D z różnymi osiami reprezentowanymi przez współrzędne X, Y i Z. Smartfon leży ekranem płasko na płaszczyźnie YZ, natomiast jego grubość można mierzyć wzdłuż osi X. Tradycyjne czujniki aparatu i dołączone obiektywy również leżą w płaszczyźnie YZ, prostopadle do osi Z.
Natomiast w przypadku układu peryskopowego sensor i soczewki leżą na płaszczyźnie XZ i przecinają oś Y pod kątem prostym. Na końcu, naprzeciw czujnika aparatu, znajduje się pryzmat, który zmienia kierunek światła prostopadle do czujnika. Dzięki zastosowaniu pryzmatu prostokątnego kamery peryskopowe mają wycięcia kwadratowe lub prostokątne zamiast tradycyjnych okrągłych.
Światło wpada przez prostokątny otwór na kamerę peryskopową, załamuje się pod kątem prostym, a następnie przechodzi przez soczewki i dociera do czujnika. Aby zdjęcia wykonane przy powiększeniu 5X lub 10X były ostre, teleobiektywy peryskopowe są wyposażony w funkcję autofokusa, w której soczewki poruszają się do przodu lub do tyłu, aby ustawić ostrość na odległym obiekcie czujnik. Pokazano to na poniższym filmie firmy Samsung:
Co więcej, przy powiększeniu 5x lub większym nawet subtelne wstrząsy są powiększone i wyglądają jak znaczące ruchy. Aby uniknąć tego przesadnego odsunięcia się od zamierzonego kadru, kamery peryskopowe budowane są z OIS lub stabilizacją optyczną – zwykle w pryzmacie. Oznacza to, że pryzmat może swobodnie poruszać się wzdłuż wielu osi w odpowiedzi na zmiany grawitacji, a zatem dostosować się do każdego nagłego, gwałtownego ruchu.
Układając soczewki i pryzmat prostokątny prostopadle do otworu aparatu, producenci smartfonów mogą zaoszczędzić sporo miejsca. Dzięki temu smartfony z peryskopowymi teleobiektywami nie są absurdalnie grube od nich można sobie wyobrazić, gdyby obiektywy były umieszczone w tej samej płaszczyźnie, co inne aparaty na ekranie smartfon.
Jest jeszcze jedno ciekawe i dość powszechne zastosowanie peryskopów, które spotykamy w aparatach. Lustrzanki cyfrowe lub lustrzanki cyfrowe wykorzystują lustra lub pryzmaty do odbijania lub załamywania światła z obiektywu aparatu do wizjera optycznego. Nie ma natomiast bezpośredniego związku pomiędzy peryskopami wewnątrz lustrzanek jednoobiektywowych a peryskopowym teleobiektywem aparaty w smartfonach, nie możemy przesądzić, że ten pierwszy mógł być inspiracją dla nowej ery zoom optyczny.
Różnica między peryskopem a teleobiektywem
Teleobiektywy to te, które umożliwiają zoom optyczny z lub bez ruchomej części. Natomiast aparat peryskopowy jest przede wszystkim przedłużeniem standardowego teleobiektywu. Oprócz różnicy w orientacji aparaty teleobiektywowe i peryskopowe można rozróżnić po kształcie otworu aparatu. W rzeczywistości prostokątny otwór na kamerę peryskopową ułatwia jej identyfikację spośród innych typów kamer. Z kolei typowe teleobiektywy mają standardowe okrągłe otwory i nie można ich rozpoznać na pierwszy rzut oka.
Biorąc pod uwagę większą liczbę obiektywów używanych w peryskopowym teleobiektywie, teleobiektyw ma dłuższą ogniskową. I wreszcie, jak zobaczymy w kolejnych rozdziałach, ani teleobiektywy, ani aparaty peryskopowe nie obsługują obecnie zmiennej ogniskowej, ale w przyszłości mogą to zrobić niektóre zmodyfikowane rozwiązania.
Smartfony z peryskopowym aparatem z zoomem
Jak wspomnieliśmy powyżej, Huawei P30 Pro był pierwszym dostępnym na rynku urządzeniem wyposażonym w 5-krotny zoom peryskopowy; Wkrótce potem pojawił się OPPO Reno 10X Zoom Edition. Latem ubiegłego roku elektromechanika Samsunga również rozpoczęła produkcję modułów kamer peryskopowych, ale minęło trochę czasu, zanim udało im się zebrać przyzwoitą liczbę zamówień.
Długo po premierze Huawei P30 Pro, Vivo X30 Pro (ograniczona do Chin) przez jakiś czas utrzymywała pałeczkę jako „najnowszy telefon z aparatem peryskopowym”, ale wkrótce została zastąpiona przez Samsunga Galaxy S20 Ultra. Wprowadzony na rynek w lutym 2020 roku Galaxy S20 Ultra stał się także pierwszym smartfonem obsługującym zoom hybrydowy do 100X.
Xiaomi, które na większość przyjęć pojawia się wcześniej, spóźniło się na ten trend. Ich pierwszym telefonem z peryskopowym modułem zoomu był model Wersja młodzieżowa Mi 10. Potem przyszedł flagowy zabójca Realme — Realme X3 SuperZoom — napędzany rocznym Snapdragonem 855. Dwa z nowszych dodatków do tego zestawienia to najnowsze flagowe urządzenia Samsunga i Vivo — Samsunga Galaxy Note 20 Ultra 5G i Vivo X50Proodpowiednio.
Huawei, marka będąca pionierem kilku innowacji w dziedzinie fotografii, wypuściła następców P30 Pro prawie miesiąc po wypuszczeniu przez Samsunga Galaxy S20 Ultra. Chociaż te smartfony — Huawei P40 Pro i P40 Pro+ — wyprzedzają inne, o których mowa w powyższym akapicie, ogłoszenie Huawei przewyższa je pod względem technologii i zasługuje na wyłączną wzmiankę. Choć oba modele – Huawei P40 Pro i P40 Pro+ – są wyposażone w aparaty z peryskopowym zoomem, to jednak Kamera peryskopowa w wariancie Plus ma 10-krotny zoom optyczny, podczas gdy zwykła wersja Pro ma 5-krotny zoom optyczny Powiększenie. Oprócz peryskopu z 10-krotnym zoomem optycznym, Huawei P40 Pro+ posiada także kolejny teleobiektyw z 3-krotnym zoomem optycznym.
Te nowsze, wprowadzone na rynek Seria Huawei Mate 40 ma tę samą terminologię, co seria P40. Huawei Mate 40 Pro i Mate 40 Pro+ mają dedykowane aparaty peryskopowe z zoomem optycznym 5x i 10x. Mate 40 Pro+ ma także dodatkowy teleobiektyw, podobnie jak P40 Pro+. Porsche Design Huawei Mate 40 Pro RS podąża za Mate 40 Pro+ i jest wyposażony w aparat peryskopowy 10x i teleobiektyw 3x.
Technologia kamer peryskopowych rozwija się w stosunkowo powolnym tempie niż ogólna gra liczbowa w rozdzielczości aparatu. Choć przyciągnęła zarówno konsumentów, jak i producentów, nie jest tak chwalona jak inne technologie, takie jak superszybkie ładowanie czy coraz popularniejsze częstotliwości odświeżania wyświetlacza. Marki smartfonów, takie jak OPPO, pracują nad sposobami przezwyciężenia ograniczeń tych kamer peryskopowych.
Zanim przyjrzymy się tym ograniczeniom, przyjrzyjmy się zaletom, jakie oferują kamery peryskopowe.
Zalety kamery z zoomem peryskopowym
Jak widzieliśmy powyżej, możliwości powiększania obrazu w smartfonach znacznie ewoluowały w ciągu ostatniej dekady. Kamery z zoomem peryskopowym ustanowiły nowy precedens, jeśli chodzi o zoom optyczny w smartfonie. Ich najważniejszą zaletą jest to, że umożliwiają uchwycenie odległego obiektu lub scenerii na równi z aparatem typu „wyceluj i zrób zdjęcie” bez faktycznego ruchu obiektywu. Jednocześnie prostopadła orientacja peryskopu umożliwia producentom smartfonów dopasowanie czujnika aparatu i zestaw niezbędnych obiektywów w korpusie smartfona, nie kosztując ich zbyt drogo grubość.
Różnica w szumach na zdjęciach wykonanych przy 10-krotnym powiększeniu przy użyciu zoomu hybrydowego w Huawei Mate 40 Pro i zoomu cyfrowego w iPhonie 12
Poza tym peryskopowy teleobiektyw ma dłuższą ogniskową, która idealnie nadaje się do fotografowania z daleka obiektów, funkcja OIS gwarantuje, że zdjęcia wykonane z peryskopowym zoomem optycznym będą miały znacznie mniej szumów niż zdjęcia cyfrowe Powiększenie. Oprócz światła dziennego funkcja ta jest przydatna podczas fotografowania przy słabym świetle lub w nocy.
Oprócz rozwiązywania wyzwań i ograniczeń, przed którymi stoimy w związku z zoomem cyfrowym w smartfonach, moduły zoomu peryskopowego w smartfonach pozwalają również użytkownikom zajrzeć do mikroświata. Za pomocą aparatu peryskopowego możesz wykonywać zdjęcia makro, nawet bez nadmiernego zbliżania się do obiektu. Jest to szczególnie przydatne, jeśli pasjonujesz się łapaniem owadów lub małych gadów.
Jednakże taki układ kamer ma pewne wady, które omówimy poniżej.
Wady aparatu z zoomem peryskopowym
Chociaż kamery z zoomem peryskopowym umożliwiają znacznie skuteczniejsze przybliżanie obiektów z bliska niż zoom cyfrowy, wiążą się one również z pewnymi ograniczeniami. Największym wyzwaniem związanym z peryskopowym teleobiektywem jest to, że umożliwia on optyczne przybliżanie z dużej odległości poza obiektami lub zbliżając się do małego obiektu, jego ogniskowa — a tym samym możliwości powiększania — są ustawione na określoną wartość. Ograniczona przestrzeń wewnątrz układu obiektywu zapobiega nadmiernemu przemieszczaniu się układu soczewek. Ruch może jedynie ułatwić autofokus, ale nie pozwala na przybliżanie i oddalanie. Dlatego nie pozwala na tak swobodne przybliżanie i oddalanie jak w przypadku faktycznie poruszającego się obiektywu zmiennoogniskowego podłączonego do aparatu typu „wyceluj i zrób zdjęcie”, lustrzanki cyfrowej lub aparatu bezlusterkowego.
Oznacza to, że zoom cyfrowy włącza się przy wartościach powiększenia innych niż obsługiwane przez kamerę peryskopową, pomimo ustawienia peryskopowego. Na przykład, jeśli smartfon obsługuje zoom optyczny 5X, kamera peryskopowa nie zacznie działać, dopóki nie osiągniesz 5X zoomu zoom i zamiast tego nadal korzystaj z aparatu głównego lub innego teleobiektywu obsługującego mniejsze powiększenie w przypadku aparatu cyfrowego Powiększenie.
Teraz, jeśli chcesz uchwycić coś przy ogniskowej większej niż 5X — powiedzmy przy 10X, smartfon przełącza się na kamerę peryskopową, a następnie cyfrowo przybliża 2X, co daje złożony zoom 10X. Producenci smartfonów lubią nazywać to zoomem „hybrydowym”, czyli połączeniem zoomu optycznego i cyfrowego.
Na przykład Huawei Mate 40 Pro+ korzysta z głównego aparatu o ogniskowych od 1x do 3x, zwiększając cyfrowo zoom w miarę zwiększania powiększenia. Przy 3-krotnym zoomie i większym wizjer przełącza się na teleobiektyw z 3-krotnym zoomem optycznym. Aparat ten jest używany aż do uzyskania powiększenia 9,9X (cyfrowe przycięcie obrazu 3X), po przekroczeniu którego telefon przełącza się na aparat peryskopowy z zoomem optycznym 10X. Przy wartościach powyżej 10-krotnego powiększenia telefon ponownie przycina obraz 10-krotny — w ten sposób wykorzystując zoom „hybrydowy”. Naturalnie w urządzeniach z modułami kamery z 5-krotnym zoomem peryskopowym przejście następuje przy 5-krotnej ogniskowej.
Kolejną istotną wadą kamer peryskopowych jest to, że wraz ze wzrostem ogniskowej pole widzenia zawęża się, a Przysłona otworu aparatu jest mniejsza niż w aparacie głównym — przy założeniu, że obiektywy użyte w obu aparatach są zbliżone identyczny. Przy mniejszej aperturze ilość światła padającego na czujnik zmniejsza się, co prowadzi do zapotrzebowania na więcej światła z otoczenia. W rezultacie zdjęcia wykonane aparatem peryskopowym są albo słabo oświetlone, albo sztucznie prześwietlone w porównaniu z aparatem głównym ze znacznie większą aperturą.
Zgodnie z oczekiwaniami, wraz z zoomem cyfrowym na obrazie pojawiają się szumy i artefakty wizualne. Dowodzi to, że chociaż zoom peryskopowy jest dość mocny, brakuje mu wszechstronności, na jaką pozwala poruszający się teleobiektyw.
Czy zoom peryskopowy jest przyszłością teleobiektywu?
Koncepcja peryskopowych teleobiektywów to postępowy krok w stosunku do zoomu cyfrowego, jednak ograniczenie, które wymieniliśmy powyżej, świadczy o konieczności opracowania lepszego rozwiązania. Będąc pierwszą firmą, która wprowadziła innowacje w kamerach peryskopowych, OPPO pracuje obecnie nad zaawansowaną koncepcją ze zmienną ogniskową, która umożliwiłaby zmienny zoom optyczny. W sierpniu 2020 r. OPPO ujawniło swoją koncepcję „hybrydowy zoom optyczny", który wykorzystuje 7-elementowy układ obiektywów.
Zamiast umieszczać wszystkie soczewki w równej odległości od siebie, soczewki te podzielono na trzy grupy, z których dwie mogą się swobodnie poruszać. Ten swobodny ruch powinien pozwolić na zmienną ogniskową w zakresie od 85 mm do 135 mm, a także zmianę zoomu optycznego w zakresie od 3,3X do 5,2X. Można go powiązać z czujnikiem CMOS o rozdzielczości do 32 MP i obsługą łączenia pikseli 4 w 1.
W tym samym czasie, Xiaomi pracuje nad konfiguracją z chowanym obiektywem, który można zamocować na głównym aparacie lub wykorzystać jako dyskretny teleobiektyw. Jedną z głównych zalet tego mechanizmu jest to, że obiektyw wykorzystuje znacznie większą aperturę niż moduł peryskopowy, co zapewnia więcej światła, a co za tym idzie, lepszy obraz. Xiaomi może wypuścić na rynek smartfon z tym wysuwanym obiektywem o szerokiej przysłonie już w 2021 roku.
Przewiduje się, że nawet Apple się do tego przeniesie kamery peryskopowe w iPhone'ach do 2022 roku. Chociaż do tego pozostały jeszcze dwa lata, zastosowanie kamer peryskopowych w iPhonie może sprawić, że staną się one znacznie bardziej popularne niż obecnie. Do tego czasu będziemy w dalszym ciągu śledzić rozwój sytuacji w branży, który pozwoli nam zobaczyć bez zbytniego odbiegania od rzeczywistości.
Co sądzisz o aparatach z zoomem peryskopowym i jaką rolę przewidujesz dla nich w fotografii smartfonowej w ciągu najbliższych kilku lat? Daj nam znać, co myślisz w komentarzach poniżej!