В конце 2019 года Xiaomi представила свой новый камерофон в двух версиях: Mi Note 10 и Mi Note 10 Pro. Последний отличался более качественной камерой. Но только в этот раз вместо понятных мегапикселей, размеров матриц или количества кадров в секунду, Xiaomi показала нечто, вызвавшее у публики лишь недоумение и вопросы.
Чтобы напомнить, о чем идет речь, приведу скриншот с упомянутой онлайн-презентации:
Оказалось, основным отличием камеры Mi Note 10 Pro от младшей версии стал объектив смартфона, а точнее количество линз в этом объективе. Если в Mi Note 10 их было семь, то в Pro-версию добавили восьмую линзу.
Естественно, пользователям было интересно, стоит ли переплачивать за дополнительный кусочек пластика в камере Pro-версии и что он, собственно, дает? Появлялось много версий и гипотез. Думали даже, что дополнительная линза позволяет камере захватывать больше света, что, разумеется, противоречит здравому смыслу.
В общем, все пошумели и забыли — в точности, как с новой жидкой линзой Xiaomi Mi Mix Fold, которая должна была совершить «революцию» в мобильной фотографии.
Тем не менее, если вы следили за мобильной индустрией последние 10 лет, то должны были часто замечать такую деталь, как количество линз в объективе. Даже Apple, которая никогда не акцентировала внимание на технических характеристиках своих смартфонов, частенько упоминала о линзах.
Например, в 2013 году на презентации iPhone 5s компания сделала ударение на новом объективе, состоящем из 5 линз (раньше было меньше):
Такой же 5-элементный объектив сегодня используется в ультра-широкоугольной камере iPhone 12 Pro, а в основной камере размещается уже 7 линз. О чем, разумеется, компания сообщила на презентации продукта.
Так почему производители говорят о линзах так, будто это что-то значит для рядового пользователя?
В этой статье мы разберемся, зачем вообще нужно использовать несколько линз внутри одной камеры и почему не достаточно одной, но очень качественной линзы. Также мы проследим за тем, что творится со светом, когда он проходит через объектив камеры смартфона. Почему, собственно, луч света, попав в линзу, изменяет свое направление и даже скорость?
С последнего вопроса и следует начать эту статью, чтобы интуитивно понимать природу света. После этого разговор о линзах пойдет куда проще.
Почему свет преломляется, изменяя направление и скорость? Или зачем камере нужна линза
Как известно, для того, чтобы увидеть хоть какой-то объект, он должен либо излучать свет, либо отражать его. Но если мы захотим перенести изображение этого объекта на белый лист бумаги, для этого недостаточно будет просто поднести бумагу к объекту.
Дело в том, что каждая точка этого объекта отражает свет во все стороны. Если бы солнечный свет падал только, скажем, на одну единственную точку яблока (на его зеленый листок), тогда фотоны от этой точки разлетались бы повсюду. И если бы мы подставили бумагу, то получили бы следующую картину:
Что интересно, ровно такая же картина была бы и в нашем глазу, если бы там не было линзы (хрусталика).
Собственно, в этом и заключается основной смысл линзы. Она может взять лучи света, падающие на нее со всех сторон, и направить их в одну единственную точку на бумаге (или сетчатке глаза):
На этой картинке мы видим, что все «зеленые» лучи света, куда бы они ни упали на линзу, собрались в одной единственной точке на бумаге. Если бы свет от солнца упал и на само яблоко, то все лучи снова собрались бы в одной точке на бумаге, но уже в другом месте:
По большому счету, можно вообще заклеить всю линзу, оставив на ней лишь одну открытую точку и она всё равно построит полноценное изображение, направляя каждый лучик в свое место! Откуда же линза знает, куда конкретно направлять свет, приходящий со всех сторон?
Ответ на самом деле очень прост — ниоткуда. Линза ничего не знает, она просто преломляет свет по неизменным законам природы.
Если не брать во внимание материал и толщину линзы, тогда местоположение точки на бумаге будет зависеть только от двух вещей: угла падения света и угла наклона линзы. Например, если мы возьмем простую стекляшку и поставим ее ровно, тогда луч света просто пройдет через нее, не изменив своего направления:
Но стоит нам немного наклонить стекляшку и луч света, не изменив направление, выйдет уже чуть ниже:
А если немножко подправить форму стекла, чтобы справа оно было ровным, тогда свет изменит направление:
Что же происходит? Почему обычное стекло или любой другой прозрачный материал так сильно влияет на движение света?
Конечно же, это явление было давным-давно описано физиками (в частности, Снеллом), но нам не нужно знать никаких формул, чтобы интуитивно понимать, что происходит со светом и почему он преломляется.
Всё дело в скорости!
Известная всем скорость света (300 тыс. км/с) на самом деле не является константой. Как только свет попадет в стекло, воду, пластик или любую другую прозрачную среду, его движение тут же замедляется.
В воде скорость света составляет 225 тыс. км/с, в стекле — 200 тыс. км/с, а в воздухе свет движется медленнее в 1.0003 раза, чем в космосе (вакууме).
Очень многие люди неправильно понимают причину, по которой происходит замедление света. Даже в некоторых серьезных научно-популярных видео на YouTube можно встретить данное заблуждение, как, например, в ролике англоязычного канала Vsause с 17 млн подписчиков:
Многие думают, что движение света не замедляется, просто фотоны, попадая в более плотную среду (например, из воздуха в стекло), начинают сталкиваться с атомами вещества, из-за чего им приходится преодолевать большее расстояние:
Есть еще одна похожая гипотеза, только вместо столкновений атомы поглощают фотоны света, а затем переизлучают их. И весь этот процесс (миллионы поглощений и излучений) замедляет прохождение света.
Всё это — заблуждения. Если бы свет действительно хаотично сталкивался с атомами вещества (или так же хаотично поглощался и переизлучался ими), тогда ни один закон не смог бы описать траекторию движение света. Более того, свет бы вообще не мог идти по прямой, так как не известно, в какую сторону отлетит тот или иной фотон. Светилось бы всё вещество.
Реальная же причина замедления света (а он действительно замедляется) связана с его волновой природой. Свет — это волна или периодические колебания электромагнитного поля (более подробно этот вопрос раскрыт в нашей статье о вреде экрана смартфона).
И когда такая волна входит в материал, она начинает возмущать электромагнитное поле внутри него. Соответственно, все заряженные частички этого материала начинают колебаться в такт движения волн. Это как с обычной водой — когда на воде появляются волны, они заставляют колебаться вверх-вниз все объекты (лодку, поплавок и пр.).
Но движение каждой заряженной частички внутри стекла или воды в свою очередь порождает новую электромагнитную волну. В итоге, к начальной волне света добавляется огромное количество других волн, вызванных колебанием отдельных атомов вещества. И происходит то, что в физике называется принципом суперпозиции.
То есть, все волны накладываются друг на друга, в результате чего изначальная световая волна изменяет свои свойства (длину, скорость). Но как только световая волна покидает материал, внешнее воздействие на нее прекращается, исчезает суперпозиция и восстанавливаются первоначальные характеристики (длина и скорость).
Поэтому свет действительно замедляется, когда переходит из вакуума в воздух или более плотную среду, заполненную атомами.
Что же такое преломление света или почему свет изменяет свое направление?
Потому, что он замедляется! Когда мы разобрались, что свет действительно движется медленнее, тогда изменение его направления можно понять чисто интуитивно без единой формулы.
Давайте возьмем примеры преломления света, приведенные выше, но рассмотрим сам момент перехода света из воздуха в линзу. Первый пример нас не интересует, так как свет просто зашел в стекляшку, замедлил свое движение и вышел с обратной стороны, не изменив направление.
А вот как выглядел второй вариант:
Что произойдет с этим лучом света, когда он войдет в стекло? Как я уже говорил выше, скорость света в стекле составляет 200 тыс. км/в час, что в 1.5 раза медленнее скорости света в вакууме. Именно поэтому мы говорим, что показатель (или коэффициент) преломления стекла равняется 1.5. Это число, которое показывает, во сколько раз замедляется скорость света в конкретном материале.
Чтобы понять, как поведет себя луч света, достаточно просто представить, что у него есть колеса (мы смотрим на луч сверху):
Воздух — это гладкая траса, а стекло будем считать песком. На картинке мы видим, что правое колесо уже заезжает на песок, соответственно, его скорость замедляется. Но левое колесо продолжает движение по гладкой дороге с прежней скоростью. Интуитивно понятно, что весь луч начнет поворачивать вправо, так как левое колесо вращается быстрее правого:
Когда луч «заехал» полностью в стекло (на песчаную дорогу) автомобиль движется ровно по новой траектории, но медленнее, чем «ехал» по воздуху. И вот он снова подъезжает к гладкой дороге (выходит из стекла в воздух):
Мы видим, что правое колесо уже выезжает из песка и начинает ускоряться в то время, как левое колесо еще вращается медленно. Очевидно, что теперь весь луч света повернет влево и движение снова выровняется.
Теперь наш луч снова «едет» по прямой дороге (воздуху), но уже чуть правее относительно траектории, по которой «заезжал» в стекло, ведь внутри стекла он проехал какое-то расстояние вправо:
Вот и вся суть преломления (или рефракции) света!
На этом принципе работают все линзы. Меняя их форму, мы всего лишь изменяем угол, под которым свет будет сталкиваться со стеклом. Ниже показаны все виды линз (синим цветом) и то, как они преломляют свет (лучи света показаны красным цветом):
Вы можете попробовать мысленно представить «колеса» на каждом луче света и вам сразу же станет понятно, почему он отклонился в ту или иную сторону, проходя через каждую конкретную линзу в отдельных ее точках.
Давайте подытожим!
Когда луч света попадает из воздуха в любой другой материал, он замедляется. Для каждого материала существует коэффициент преломления — число, показывающее, во сколько раз замедляется скорость света.
Так как движение замедляется, то луч света меняет направление в зависимости от того, под каким углом входим в другой материал (в нашем случае — линзу).
Зачем камере смартфона нужны 5, 6 и больше линз?
Причина только одна — для устранения огромного количества всевозможных искажений, о которых мы поговорим дальше.
Но сразу стоит сказать, что дополнительные линзы никак не увеличивают светосилу объектива. Более того, каждая дополнительная линза, наоборот, ухудшает этот показатель.
Какую-то часть света линза может поглощать, а какую-то — отражать обратно. Если поглощение не является серьезной проблемой (количество поглощенного света ничтожно мало), то с отражением всё серьезнее. Одна линза может отражать до 5% падающего на нее света! И представьте, какие потери будут при использовании 5-6 линз. А добавьте к этому паразитные отражения света внутри линз, снижающих общую контрастность картинки!
Чтобы минимизировать эти потери, производитель смартфонов просветляет линзы, то есть, наносит на их поверхность тонкую пленку из особого материала, которая очень сильно снижает процент отраженного света.
Что интересно, свойства этой пленки обычно (в не самой дорогой оптике) подбираются для лучей зеленого цвета, чтобы его отражалось/терялось меньше всего. И такие просветленные линзы обычно имеют синий или красный оттенок, так как зеленый свет практически не отражается.
Благодаря такой особенности этого процесса можно легко определить просветление даже на глаз! Чтобы проверить, используется ли в вашем смартфоне просветлённая оптика, достаточно просто посмотреть на его камеру.
К примеру, вот так выглядят стекла камеры Samsung Galaxy S21 Ultra:
Обратите внимание, как свет в линзах отражается синими и красными цветами, что говорит о просветлении линз, то есть, их максимальной эффективности.
Но что бы было, если бы мы использовали только одну линзу?
Начнем с того, что весь свет не смог бы сфокусироваться в одной точке на матрице камеры. Дело в том, что из-за большего угла наклона по краям, линза преломляет свет (показано красным цветом) гораздо сильнее, чем в центральной части (показано черным цветом):
Сделать четкое изображение при таком схождении лучей не получится. И решить эту проблему можно двумя способами: изменить форму линзы или добавить еще одну линзу, которая будет вносить противоположные искажения, то есть, разводить лучи в стороны тем сильнее, чем дальше они от центра.
Первый вариант более предпочтительный. В больших камерах он используется только в самых дорогих объективах, так как придать стеклу сложную форму очень тяжело. Но в смартфонах никто не использует стекло, а из пластика можно относительно просто изготовить любую форму.
В частности, нужно сделать так, чтобы центральная часть линзы отклоняла лучи так же сильно, как и ее края. Значит, в центре она должна быть более выпуклой (напомню, увеличивая угол падения света, мы увеличиваем степень его преломления):
На всех рекламных рендерах мы видим именно такие асферические линзы с характерным горбиком по центру:
Повторюсь, того же эффекта можно добиться, приклеив рассеивающую линзу к обычной (выпуклой/собирающей):
Но на этом проблемы не заканчиваются. Оказывается, «свет» — это собирательный образ, если так можно выразиться. Пучок света состоит из множества отдельных волн разной длины. Самые короткие световые волны — это синий цвет (не считая фиолетового), средние по длине — это зеленый цвет, а самые длинные — красный.
Так вот, скорость каждой отдельной волны замедляется по-разному. Чем короче волна, тем сильнее она замедляется и тем сильнее отклоняется при переходе из одной среды в другую. Получается, даже исправив предыдущие искажения, мы столкнемся с еще одной проблемой, при которой красные лучи будут сходиться дальше, чем синие, которые сильнее отклоняются:
Как исправить эту проблему? Верно! Нужно добавить еще одну линзу определенной формы, которая будет рассеивать свет. Но линза эта будет не простая. Нужно подобрать такой материал, чтобы он тем сильнее преломлял свет (отклонял в сторону), чем сильнее изменяется длина волны:
Помимо рассмотренных искажений (их называют аберрациями), есть масса других: астигматизм, кома, кривизна поля и т.д.
Например, когда свет падает на линзу не под прямым углом, он фокусируется перед матрицей и в идеале матрица камеры должна иметь форму полусферы (как сетчатка нашего глаза), чтобы изображение не только в центре, но и по краям было четким:
Как исправлять все эти проблемы? Ответ всё тот же — добавлять линзы, варьировать их размеры и материалы. Другими словами, мы используем искажения одних линз для исправления искажений, вносимых другими линзами. Именно поэтому в любом современном смартфоне используется множество линз, а не одна, пускай даже самая качественная.
Вот реальная фотография камеры смартфона (в разрезе) и ее схематическое изображение с примером трассировки лучей (разными цветами показаны лучи света, падающие под разными углами на разные части объектива):
Но и это еще не всё!
Ведь смартфону нужны отдельные линзы для работы автофокуса (здесь об этом рассказано более подробно) и оптической стабилизации!
Правда, в основном сейчас не используются линзы для этих целей, так как движется весь объектив, то есть, весь набор из 6-7 линз перемещается вперед-назад для фокусировки или в стороны — для стабилизации.
Чем больше, тем лучше!?
К большому сожалению, как и количество мегапикселей, количество линз — это снова не та характеристика, на которую нужно смотреть и по которой можно оценивать качество камеры. А заявление Xiaomi об использовании восьми линз в Pro-версии вместо семи (в обычной) — это вообще одно из самых бесполезных маркетинговых заявлений.
Здесь всё зависит от дизайна объектива. И есть множество примеров из мира зеркальных фотоаппаратов, где меньше линз дают лучший результат и наоборот. К примеру, можно использовать 2 линзы (собирающую и рассеивающую) для корректировки сферической аберрации, а можно использовать одну асферическую линзу, которая будет давать еще лучший результат.
Поэтому, когда вы видите на презентации нового смартфона, что в нем изменилось количество линз, относиться к этому стоит с интересом. Так как это подразумевает новый дизайн объектива, а значит и новые характеристики (как он справляется с различными искажениями и насколько качественным получится итоговый результат).
Но считать, что больше линз означает лучшее качество — в корне неверно. И Xiaomi Mi Note 10 Pro — отличное тому подтверждение.
Алексей, глав. редактор Deep-Review
P.S. Не забудьте подписаться в Telegram на наш научно-популярный сайт о мобильных технологиях, чтобы не пропустить самое интересное!
