Такого нет ни у одного смартфона на планете: как создавали двойной телеобъектив HUAWEI Pura 80 Ultra
В этом году компания HUAWEI совершила революцию в сегменте мобильных камер, выпустив серийный смартфон с двойным телеобъективом. Данная камера предоставила пользователям необходимую гибкость и высокое качество изображения — всё благодаря довольно сложной конструкции, состоящей из 143 компонентов, которую пришлось разработать буквально с нуля. И о ней хотелось бы рассказать более подробно.
От первых двойных камер до 100-кратного зума и макросъёмки — как развивались телеобъективы HUAWEI
Вероятно, об этом мало кто знает, но компания HUAWEI начала фокусироваться на телеобъективах и связанных с ними технологиях почти десять лет назад. Сначала, в 2016 году, бренд выпустил смартфон P9 с двумя датчиками изображения на тыльной панели — основным модулем на 12 Мп и дополнительным монохромным (чёрно-белым) сенсором с тем же разрешением.
Затем, в том же году, компания выпустила Mate 9 с похожим монохромным сенсором, только уже на 20 Мп, и поддержкой эффекта 2-кратного оптического зума на основном датчике. Фактически, тогда инженеры HUAWEI заложили фундамент, который затем с каждой итерацией смартфонов бренда развивали и улучшали.
Уже в 2018 году бренд выпустил на рынок смартфон P20 Pro с поддержкой инновационного 3-кратного оптического зума. А в 2019 году HUAWEI представила P30 Pro с продвинутой системой камер — модель получила первый на коммерческом рынке телеобъектив перископического типа с фокусным расстоянием в 120 мм (5-кратный зум), что позволило пользователям делать качественные кадры удалённых объектов.
«С каждым поколением мы вкладываем 200% наших усилий. Возьмём, к примеру, P30 Pro. Знаковый телеобъектив с перископической оптикой того поколения в наши дни может и считался бы обычным делом, но в то время его производство было чрезвычайно сложной задачей», — рассказал в рамках интервью Сюн Чэньфэй (Xiong Chenfei), инженер HUAWEI.
Дело в том, что после отправки чертежей данной камеры на завод выяснилось, что на тот момент их производство вообще было невозможным.
HUAWEI столкнулась сразу с тремя проблемами:
- Стеклянный призматический перископ — не было надёжного поставщика.
- Технология OIS на основе призмы — никогда не производилась серийно.
- Производство модуля перископа — требует модернизации всей производственной линии.
К счастью, компания смогла преодолеть все трудности и выпустить модель в продажу. Но, конечно, это было лишь начало — через год на полках магазинов оказался P40 Pro+, который мог похвастаться уже 10-кратным оптическим зумом, а также технологией SuperZoom, позволяющей делать снимки с впечатляющим 100-кратным увеличением.
И хотя 10-кратного оптического зума большинству пользователей хватало с головой, работа по улучшению телеобъектива продолжалась — просто теперь в другом направлении.
«Мы проанализировали отзывы наших пользователей и выделили три основных недостатка, которые затрагивали сценарии использования телеобъектива. Речь идёт о „дальнозоркости”, „ночной слепоте” и эффекте „маленьких глаз” (или эффекте „плохого боке”)», — заявил Сюн Чэньфэй (Xiong Chenfei), инженер HUAWEI.
Для начала компания решила проблему с «дальнозоркостью» (неспособность камер с длинным фокусным расстоянием захватывать объекты на небольшом расстоянии) — Mate 50 RS с телеобъективом на 48 Мп позволял снимать как текст с расстояния 100 метров, так и комара в 5 см от объектива. Далее, в P60 Pro, компания реализовала технологию «светособирающей призмы» (light-gathering prism), что позволило телеобъективу снимать яркие кадры даже в ночное время суток.
И в этом же смартфоне благодаря передовым алгоритмам компания существенно улучшила эффект боке — ранее телеобъективы из-за небольшой диафрагмы делать красивые портреты не могли.
Двойной телеобъектив — от необычной идеи до финальной реализации
В процессе проектирования Pura 80 Ultra инженеры HUAWEI решили реализовать новую и куда более амбициозную идею — специалисты бренда решили интегрировать несколько датчиков изображения в едином модуле камеры, предоставив пользователю куда больше гибкости и универсальности в процессе мобильной фотографии. Естественно, разработчики сразу же столкнулись с довольно серьёзными трудностями — суть в том, что современные телеобъективы весьма скованы в своих возможностях из-за ограничений по размеру сенсора.
Соответственно, для создания комплексной системы нового поколения сначала нужно увеличить каждый из датчиков изображения в телеобъективах. А это, в свою очередь, невозможно — компактное пространство смартфона банально не позволяет втиснуть более крупные сенсоры. Решить проблему можно несколькими путями — интегрировать сверхширокоугольную и основную камеры, объединить основной датчик и телеобъектив, либо же объединить все три датчика в одну камеру. Но в HUAWEI нашли дополнительный путь — в компании решили собрать комбинацию из средне- и ультрателефотообъективов.
«Как и в случае с P30 Pro, мы снова отправились в совершенно неизведанную технологическую область. Оригинальное предложение по данному дизайну было выдвинуто нашей лабораторией ещё в 2012 году — специалисты предложили использовать оптический путь телеобъектива на заднем блоке (бэкэнд) и переключение фокусного расстояния на переднем посредством призмы», — рассказал Сюн Чэньфэй (Xiong Chenfei), инженер HUAWEI.
Более того, представители HUAWEI, которые разрабатывали данную камеру, утвердили определённый свод фундаментальных концепций нового дизайна:
- Размер сенсора телеобъектива должен быть сопоставимым с размером сенсора основной камеры во флагманских моделях, чтобы обеспечить достаточный поток света для качественной ночной съёмки, сохранения деталей изображения и формирования приятного эффекта боке.
- Необходимо охватить два наиболее часто используемых пользователями фокусных расстояния телеобъектива: средний диапазон около 80 мм и ультрателедиапазон около 200 мм.
- Реализация технологии «светособирающей призмы», уже реализованной в P60, — она должна обеспечить достаточно большую диафрагму для средних и длинных фокусных расстояний без ущерба для размера диафрагмы в случае со сверхдлинными фокусными расстояниями.
- Абсолютно недопустимо ухудшение качества макросъёмки.
- Необходима система стабилизации изображения посредством технологии стабилизации на основе датчика.
В результате длительного и кропотливого процесса разработки инженеры компании HUAWEI создали и запатентовали инновационную технологию Switchable Dual Telephoto Camera («Переключаемая двойная телефото-камера»). Особенность данной технологии в том, что оптический путь между телеобъективом и ультрателеобъективом можно переключать, перемещая направляющую платформу. Благодаря этой системе два телеобъектива с зумом 3,7× и 9,4× на деле используют один и тот же CMOS-сенсор и технологию стабилизации изображения, что позволяет обеспечивать высокое качество изображения с двумя фокусными расстояниями и существенно уменьшить размер модуля.
Более того, благодаря призме Шмидта свет внутри системы дважды отражается на CMOS-сенсор, что позволяет эффективно увеличить оптический путь. И, что самое интересное, инженеры HUAWEI решили разместить CMOS-сенсор под углом (по диагонали) над призмой, чтобы эффективнее использовать пространство и уменьшить физические размеры модуля. HUAWEI пришлось отказаться от традиционного вертикального расположения датчика изображения по довольно практическим причинам.
«Из-за увеличения площади датчика общий вес компонентов системы стабилизации изображения увеличился в три раза по сравнению с P60 Pro. Более того, расстояние движения также увеличилось в полтора раза, а ударная нагрузка на компоненты выросла в 4,5 раза. В результате общий размер модуля в случае с вертикальным расположением датчика превысил бы 13 мм. При этом мы не могли использовать „лежащий” датчик, как в P60 Pro, потому что длина телефотомодуля в этом случае была бы аналогична ширине смартфона», — отметил Сюн Чэньфэй (Xiong Chenfei), инженер HUAWEI.
При этом представитель компании отмечает, что конкуренты не используют аналогичный механизм размещения датчика изображения по диагонали, потому что массовое производство данных модулей чрезвычайно тяжело реализовать. И на то есть три основных причины.
Точность, диапазон и надёжность
Начать стоит с точности движения — поскольку конструкция переключаемого двойного телеобъектива предусматривает перемещение призм для управления изменениями в оптическом пути, положение после каждого движения должно контролироваться с точностью до микрона (в пределах от 3 до 5 микрометров). Кроме того, инженерам бренда пришлось реализовать целых 5 механизмов перемещения в телеобъективе, тогда как в традиционном телефотомодуле их всего два, да ещё и сделать их предельно точными.
У решения от HUAWEI есть механизм стабилизации изображения, механизм перемещения объектива, стоп-мотор, механизм светозащиты, а также система выравнивания и интеграции механизма фокусировки — и все они требуют точности на уровне микрон. Для того, чтобы реализовать столь сложную систему, HUAWEI в сотрудничестве с представителями отрасли разработала 18-осевое устройство оптической связи с 18 степенями свободы. В результате удалось добиться субмикронной точности сборки.
Безусловно, при проектировании модуля камеры и будущего смартфона с этим модулем разработчикам пришлось учитывать увеличение веса — телеобъектив использует сенсор размером 1/1,28”, для которого нужен призменный оверсайз-модуль, который ранее никогда не применялся. И вес одной только фронтальной призмы в данном случае превышает вес призмы из серии Pura 70 в три раза. Кроме того, для переключения фокусного расстояния передней призмы требуется диапазон перемещения до 9,36 мм — это в три раза превышает отраслевые стандарты.
И, конечно, инженерам HUAWEI необходимо было обеспечить высокую надёжность финальной конструкции — система должна точно фиксироваться до и после каждого переключения положения подвижной фокусировочной призмы.
Для этого была разработана новая конструкция штифта, который фиксирует призму в положении базового (medium) телеобъектива в том случае, когда эта камера не используется. Но при необходимости призму можно переместить в положение ультрателеобъектива с последующей фиксацией. Дабы убедиться, что эта система работает так, как должна, в компании провели 20 циклов строгих испытаний, убедившись в том, что система перемещения объектива может работать с точностью до микрона.
Преимущества двойного телеобъектива в Pura 80 Ultra
Благодаря столь сложной конструкции компании HUAWEI удалось создать телеобъектив, который отлично себя зарекомендовал сразу в шести сценариях: ночной съёмке, макросъёмке, портретной съёмке, съёмке объектов с большого расстояния, фотографии сценических выступлений и съёмке Луны.
Собственно, компании удалось добиться того результата, к которому инженеры стремились с самого начала, и теперь специалисты бренда планируют сосредоточить свои усилия на алгоритмах телефотосъёмки.
«В будущем телефотосъёмка станет одной из наиболее часто используемых функций у пользователей смартфонов. Соответственно, мы продолжим совершенствовать это направление», — заключил Сюн Чэньфэй (Xiong Chenfei), инженер HUAWEI.
Реклама. ООО «Техкомпания Хуавэй», ИНН 7714186804, Erid: F7NfYUJCUneTSUCoLfJG
