Co to jest obiektyw peryskopowy do aparatów w smartfonach?

Rywalizacja w świecie smartfonów zawsze opierała się na liczbach. Która marka ma największą liczbę megapikseli, aparatów czy (coraz częściej) zoomu? Niemniej jednak, z perspektywy fizyki, optyczny zoom i cienkie telefony po prostu nie idą w parze.

W lipcu 2020 roku pojawiły się doniesienia, sugerujące, że Apple planuje wprowadzenie peryskopowego teleobiektywu w przyszłym iPhonie. Obiektywy peryskopowe są znane od pewnego czasu i skutecznie omijają problemy związane z rozmiarami, które dotykają tradycyjne teleobiektywy.

Przyjrzyjmy się, jak działają te obiektywy i jakie mogą mieć znaczenie dla przyszłości rynku smartfonów.

W fotografii rozmiar ma znaczenie

Największe ograniczenia w fotografii wynikają z zasad fizycznych, a nie z technologii. Istnieją pewne prawa optyki, które są niezmienne. To dlatego obiektywy stosowane w lustrzankach cyfrowych oraz aparatach bezlusterkowych są tak masywne. Aby uzyskać długie ogniskowe oraz dużą aperturę, soczewki muszą mieć określone wymiary.

Na przykład, obiektyw o ogniskowej 200 mm i maksymalnej przysłonie f/2,8 musi mieć średnicę przedniej soczewki większą niż 70 mm (około 3 cali). I to nie uwzględnia jeszcze trudności związanych z produkcją.

W smartfonach zasady te również obowiązują, lecz na znacznie mniejszą skalę. Dzięki mniejszym czujnikom, uzyskują one większe powiększenie przy krótszych ogniskowych. To rozwiązanie wiąże się jednak z wieloma kompromisami.

Na przykład iPhone 11 Pro ma teleobiektyw o ogniskowej 52 mm, podczas gdy jego rzeczywista długość to zaledwie 6 mm. Oznacza to, że aby uzyskać podobne zdjęcie za pomocą profesjonalnej lustrzanki, potrzebny byłby obiektyw 52 mm. Czujnik teleobiektywu w iPhonie ma rozmiar 1/3,6 cala (około 5 mm po przekątnej), co pozwala uzyskać porównywalne powiększenie.

Jednakże producenci zaczynają napotykać trudności. Nie można znacząco zmniejszyć rozmiarów czujników kamer bez dokonania kompromisów, które są trudne do zaakceptowania. Mniejsze czujniki funkcjonują gorzej w słabym oświetleniu i mają trudności z uzyskaniem wyższej rozdzielczości.

Gdyby Apple postanowiło zwiększyć zoom w iPhonie, teoretycznie mogłoby zmniejszyć rozmiar czujnika o połowę. Jednak taka opcja byłaby prawdopodobnie kosztowna w produkcji i niepraktyczna w użytkowaniu.

Lepszym rozwiązaniem byłoby zwiększenie rozmiaru obiektywu.

Omijanie problemu

Jednak zwiększenie rozmiaru obiektywu również wiąże się z wyzwaniami. iPhone 11 Pro ma zaledwie 8,1 mm grubości. Nawet jeśli obiektyw o ogniskowej 6 mm nie musi mieć dokładnie 6 mm długości, musi być blisko tej wartości. W związku z tym wciąż zajmuje znaczną część dostępnej przestrzeni w smartfonie. Niewiele jest miejsca na dodanie obiektywu o długości 12 mm do telefonu o grubości 8 mm.

Chyba że podejdziemy do tego z boku.

Obiektyw peryskopowy działa podobnie jak peryskop w łodzi podwodnej. Światło wchodzi do przedniej soczewki, a następnie jest odbijane pod kątem 90 stopni przez lustro ustawione pod kątem. Następnie przechodzi przez pozostałe elementy obiektywu przed dotarciem do czujnika aparatu, gdzie jest rejestrowane jako zdjęcie. Zmiana kierunku, w którym przemieszcza się światło, pozwala na zastosowanie dłuższych soczewek bez konieczności ich głębokości, co umożliwia zwiększenie ich szerokości.

Dla producentów telefonów to ogromna zaleta. Zdecydowanie łatwiej jest znaleźć miejsce na dłuższy teleobiektyw umieszczony poziomo niż zmniejszać rozmiar czujnika czy robić grubszy telefon.

Dzięki temu producenci nie są ograniczeni do obiektywów o średnicy 50 mm z 2-krotnym zoomem optycznym (lub, dla marketingu, 3-krotnym zoomem). Pozwala to na wykorzystanie obiektywów 100 mm (około 5-krotnego zoomu) lub nawet 200 mm (około 10-krotnego zoomu).

Oczywiście, wciąż istnieją kompromisy, a technologia jest stosunkowo nowa, ale skutecznie omija największe ograniczenie związane z wprowadzeniem zoomu optycznego do smartfonów.

Zoom cyfrowy a zoom optyczny

Jeśli myślisz, że Twój iPhone ma już 10-krotny zoom, masz rację, ale również się mylisz. Istnieje powód, dla którego mówimy głównie o ogniskowej, a nie o mnożnikach zoomu.

Wynika to z istotnej różnicy pomiędzy zoomem optycznym a cyfrowym (lub ulepszonym, super rozdzielczości, sztucznej inteligencji). W przypadku zoomu optycznego powiększenie wynika z właściwości optycznych obiektywu o dłuższej ogniskowej. Odległe obiekty rzeczywiście wydają się bliższe, jakby były obserwowane przez teleskop, bez utraty jakości obrazu.

Zarządzanie zoomem 10-krotnym w iPhonie to w rzeczywistości niewielkie przybliżenie z 2-krotnego zoomu.

Zoom cyfrowy to w zasadzie zaawansowany sposób na powiedzenie, że zdjęcie zostało przycięte, aby wyglądało na powiększone. Naturalnie, zoom cyfrowy przeszedł długą drogę. Dzięki wysokiej rozdzielczości czujników, „binningowi” (łączeniu kilku pikseli w jeden większy piksel) oraz lepszym algorytmom skalowania, producenci uzyskują coraz lepsze rezultaty.

Oczywiście, nie można budować kampanii marketingowej wokół tej prawdy.

Dostępność soczewek peryskopowych

Apple nie będzie pionierem w wprowadzaniu soczewek peryskopowych. Chińscy producenci, tacy jak Oppo i Huawei, eksperymentują z nimi od kilku lat. Na przykład, Huawei P40 Pro + posiada pięć aparatów, w tym 10-krotny peryskopowy teleobiektyw, który odpowiada obiektywowi 240 mm w aparacie pełnoklatkowym.

Szerokokątny aparat w Huawei P40 Pro.

Samsung Galaxy S20 Ultra, również szeroko dostępny, wyposażony jest w 5-krotny teleobiektyw peryskopowy, który mniej więcej odpowiada 100 mm. Jednak marketing Samsunga stara się zakryć te dane, stosując niezwykle absurdalne mnożniki.

Peryskop z 5-krotnym zoomem optycznym. Sprawdź jakość obrazu!

Chociaż Apple nie będzie pierwszym producentem, który wprowadzi soczewki peryskopowe, jego wejście na ten rynek z pewnością wywrze duży wpływ. Możemy być pewni, że od teraz, aż do premiery iPhone’a z obiektywem peryskopowym, stanie się to jedną z bardziej pożądanych funkcji.