潜望鏡レンズが iPhone カメラのズームをどのようにして向上させるのか

消費者に最高のスマートフォンカメラを提供するための絶え間ない戦いの中で、Appleがまだ革新していない領域の1つは、いわゆる「ペリスコープレンズ」を使用できる光学ズームです。このテクノロジーが何をするのか、そしてそれがどのようにズーム範囲を拡大する可能性があるのかについて説明します。iPhoneおよび画像機能を備えたその他の製品。

長年にわたり、スマートフォンのメーカーは消費者に最適なユーザーエクスペリエンスを提供するために熱心に取り組んできましたが、その一環として写真の分野も取り組んでいます。カメラセンサーの改良により、写真の解像度サイズが向上し、低照度でのパフォーマンスの向上と光学式手ぶれ補正も実現しました。

スマートフォンのカメラ戦争でも次のような点に重点が置かれています。コンピューショナルフォトグラフィーオンボードアルゴリズムと、場合によっては複数のカメラセンサーを使用することで、単一のカメラだけで行うよりもはるかに詳細な、またはより優れた画像を生成できます。

しかし、写真の要素の 1 つは、ユーザーが光学的にズームできる範囲を改善するという、スマートフォンメーカーが克服しようと懸命に取り組んでいる問題です。

スペース、またはスペースの不足

スマートフォンメーカーが対処しなければならない主な問題は、カメラレンズの光学ズームを可能にするには、レンズ要素とスペースの組み合わせが必要であることです。カメラレンズがさまざまなズームレベル (通常は焦点距離と呼ばれます) を提供するには、同じレンズ要素も移動する必要があり、さらに多くのスペースを占める可能性があります。

ここでの問題は、スマートフォンは通常、そもそも内部容積がそれほど多くないことです。

平均的なスマートフォンの厚さはわずか 3 分の 1 インチ程度です。iPhone12プロ範囲、7.4 mm (0.29 インチ)。最初はこれで十分なスペースはありませんが、そのスペースは他のコンポーネントと共有する必要があります。

余分なカメラの出っ張りを考慮しても、iPhone の薄いケースには精巧な望遠レンズを配置するための十分なスペースがありません。

ガラス、ケース、ディスプレイアセンブリ、その他のコンポーネントがその厚さの一部を占め、薄いカメラセンサーを追加するのに十分な厚さが残ります。 Apple はカメラのバンプの形で厚みを追加することでスペースの量を最大化していますが、それはセンサーのためのスペースをあまり確保しません。

センサー上部のレンズアセンブリには、可動コンポーネントを配置したり、高度なレンズ要素の配置を使用して遠くのズームレベルを提供したりするためのスペースがないため、固定レンズアセンブリが使用されます。フォーカシングや光学手ぶれ補正などのために移動が可能な場合もありますが、光学ズームを向上させるには十分なスペースではありません。

ズーム機能を提供する必要性を回避するために、スマートフォンのメーカーは背面に複数のカメラセンサーを使用し、望遠、広角、超広角の画像をカバーするさまざまなレンズアセンブリを備えています。スマートフォンは、使用するセンサーを切り替え、そのセンサーで使用するレンズを切り替えることで、その時のズームレベルを変更できます。

ユーザーに何らかの形で調整可能なズームを提供するために、スマートフォンのメーカーは光学ズームをデジタルズームで強化しています。これには通常、センサーから出力された画像を操作してショットをトリミングし、ユーザーが期待する解像度を満たすように画像のサイズを変更することが含まれます。

スマートフォンのメーカーにとっては十分便利であり、さまざまな焦点距離を使用できるようになりますが、優れたソリューションとは言えません。デジタルズームは通常、同じレベルの光学ズームよりも悪い画像を作成します。これは、単にデータを操作してより多くのピクセルを作成するためです。

最新のデジタルズーム技術により、スマートフォンメーカーは依然として、自社のデバイスをはるかに高い範囲でズームできるものとして宣伝することができ、これは広告目的に最適です。

たとえば、iPhone 12プロマックス光学範囲は 2.5x 入力から 2x 出力までです。デジタルズーム要素を追加すると、12倍ズームが可能です。

スマートフォンのメーカーにとって、より高品質の光学ズームをどのように追加するかという疑問が残ります。

初期のズーム機能強化の試み

いくつかの初期のスマートフォンは、成功レベルはさまざまですが、いくつかの方法で問題を回避できました。

のノキアルミア 1020単純に大規模なイメージングセンサーから始めるという道をたどりました。 4,130 万ピクセルのセンサーは、2013 年の発売時点では大きな利点であり、シーンをズームインする際にはるかに余裕を持たせました。

Nokia Lumia 1020 は、高解像度センサーを使用して高品質のズームを提供しました。

このカメラは、純粋な光学ズームではなく、その純粋な解像度を利用して、センサーから画像を単純にトリミングすることで、画像のサイズを変更するために画像を拡大縮小したり補間したりするのではなく、最終的な画像がユーザーが望むズームのレベルに一致するようにしました。。

得られた画像は、かなりのトリミングが適用された後でも、依然として非常に使用可能な解像度を保っていました。

同じ問題を解決するもう 1 つの初期の方法は、コンパクトカメラの古典的なズーム機構を借用することでした。のようなデバイスサムスンギャラクシー S4 ズームは、再び 2013 年から、レンズがカメラ本体から伸縮するカメラシステムを搭載し、レンズ要素の位置を変更し、拡張された光学ズームを可能にしました。

このシステムは機能し、かなり従来型の 16 メガピクセルセンサーで 10 倍の光学ズームを提供し、スペースの問題は解決しましたが、美観は犠牲になりました。消費者が求めていたのは、スマートフォン機能を備えたコンパクトカメラではなく、より薄いスマートフォンでした。

Samsung Galaxy S4 Zoom は、コンパクトカメラの伸縮ズームを借用しました。

この方法でスペースを作成することはうまくいきましたが、消費者に優しい方法ではありませんでした。ベンダーが必要としていたのは、デバイスの外観を犠牲にすることなくスペースを管理する方法を開発することでした。

潜望鏡レンズの登場

「ペリスコープレンズ」または「折り畳みレンズ」という用語で知られるこのアイデアは、光の反射を利用して、限られた領域内でレンズが作ることができるスペースの量を増やすことです。これは潜水艦の潜望鏡に使用される原理に似ていますが、純粋にスマートフォンの光の経路を変更するためのものです。

単にカメラセンサーをスマートフォンの背面に直接向けるのではなく、スマートフォンの厚さの残りのわずかなスペース内にセンサーを横向きに配置できるというアイデアです。ベンダーはスマートフォンの全体の厚さについては実際にはあまりできませんが、内部コンポーネントを管理して、カメラセンサーが使用できる横方向の内部スペースを増やすことはできます。

レンズは通常どおりカメラセンサーの前に配置されますが、その後、ミラーまたはプリズムを使用して、スマートフォンの背面にある開口部を通して光を導きます。実際、カメラは反射の力を利用して、角を曲がったところから画像を撮影しています。

折り畳んだカメラまたはペリスコープカメラのセットアップでは、センサーとメインレンズを側面に取り付け、プリズムまたはミラーを使用して光を反射します。 [画像はHuawei経由]

このシステムはセンサーと反射要素の間にスペースを生成できるため、スマートフォンのカメラで通常使用されるものよりも、さまざまなレンズ要素をより自由に使用できることを意味します。これは、より幅広い要素間距離を許容するスペースと組み合わせることで、設計者がより最適なレンズのアセンブリと配置を作成できることを意味します。

レンズ要素間には操作できるスペースがあるため、コンポーネントのメーカーがこれらの要素を移動する機能を組み込むことも可能かもしれません。これにより、レンズがカメラの焦点を合わせる場所をより詳細に制御できるようになり、さらに高い倍率レベルが可能になる可能性があります。

これは、DSLR またはミラーレスカメラのズームレンズに似ていると考えてください。多くの場合、焦点距離を変更すると、レンズ自体の長さが変更され、レンズのバレルが延長されて、さまざまな要素の間隔が空けられます。

潜望鏡レンズは、利用可能なスペースの制限内で同様の偉業が可能です。

初期の商品化

競合他社のいくつかがすでにこの技術を使用したモデルを出荷しているため、潜望鏡カメラを搭載したスマートフォンを提供するのは Apple が最初ではないでしょう。

ファーウェイは、潜望鏡カメラシステムを採用した主力スマートフォンをいち早く市場に出した企業の1つであり、P30 Proにはスーパーズームレンズとして販売されていたものが搭載されています。この配置により、ファーウェイは10倍ハイブリッドズームとして宣伝し、50倍ズームで一部の画像を撮影できる可能性を誇っていました。

Huawei P30 Proの分解図。従来のカメラとは異なる潜望鏡レンズの向きを示しています。

しかし、ファーウェイによるこのアイデアの実現は完璧ではありませんでした。まず、4,000万ピクセルの広角カメラセンサーと2,000万ピクセルの超広角バージョンのカメラセンサーが搭載されていましたが、この折りたたみ式カメラに使用されているセンサーの解像度はわずか8メガピクセルでした。

小型センサーは光学ズームの恩恵を受けましたが、最大 5 倍の倍率でそれを実現しました。 10倍ハイブリッドズームを実現するために、ファーウェイは8MP潜望鏡カメラの画像と40MPセンサーからのトリミングされた写真を組み合わせ、その2つを統合して高精細な10倍画像を作成しました。

50 倍ズームは、アルゴリズムの改善によってサポートされた、トリミングや画像拡大などのより多くのデジタルズーム技術に依存していました。

Apple の主なライバルである Samsung も、独自のバージョンを開発して参入した。ギャラクシーS20ウルトラ「スペースズーム」と呼ばれるペリスコープレンズシステムは、より高い 4,800 万ピクセルのセンサーと組み合わされました。

Samsung Galaxy S20 Ultraは、折り畳まれたレンズアセンブリをカメラバンプの底部に配置しました

今回、システムは 4 倍の光学ズーム、センサークロッピングやセンサークロッピングなどの技術を使用した 10 倍の「ロスレスハイブリッド光学」ズームを可能にしました。ピクセルビニング、および 100 倍ズーム機能の一般的なデジタルズームテクニックを説明します。

2 つのリリースは、デバイスの物理的なスタイルを犠牲にすることなく、スマートフォンで通常可能な光学ズームよりもはるかに向上した光学ズームを備えた潜望鏡スタイルのレンズシステムを使用する可能性を示しました。

現時点では、Apple は次回の iPhone の発売にいかなる種類の潜望鏡ズームも搭載しないように思われますが、それほど長く待たされることはないかもしれません。

アナリストからのレポートミンチー・クオで2020年11月Appleが2022年のiPhoneでそのようなシステムを導入するという考えを提唱した。ただし、2021年3月, クオ氏はデビューを2023年とする見通しを修正した。

アナリストの推測とは別に、Appleが将来のiPhoneに潜望鏡レンズカメラを搭載するための基礎を整えていると主張する他の報道もある。

2020 年 11 月、Apple は次のように報じられました。サプライヤーを探しています将来のiPhoneモデル向けの「折りたたみカメラ」の開発。これは、ズーム技術を使用するトリプルカメラ構成の一部であると言われています。

2020年12月までに、既存のAppleカメラパートナーを指摘する報道があったLGイノテック折り畳み式カメラモジュールの作成のためのアクチュエーターとレンズをサムスンに依頼する可能性がある。これらのモジュールは、将来の iPhone モデルで使用される予定です。

OIS とオートフォーカス用の可動要素を備えた潜望鏡レンズに関する Apple の特許出願画像。

当然のことながら、Apple はこの分野で複数の特許を出願しています。で浮上したのが2021年1月は、折り畳まれたカメラシステム内でレンズ要素を移動させるためのアクチュエータの使用を提案しました。これにより、光学的画像安定化とオートフォーカス機能が提供される可能性があります。

もちろん、研究開発は必ずしも iPhone に行き着くわけではありませんが、それは非常に明白なシステムの応用であるように思えます。このテクノロジーが他の方法で使用される可能性は十分にあります。

」アップルカー「Appleが独自の自動運転車を設計・製造するというよく噂されるプロジェクトでは、潜望鏡レンズを使用して自動運転画像システムを駆動する可能性がある。カメラとレンズシステムの構築方法を管理する機能により、Appleは画像を作成できるようになる可能性がある」もっと簡単に隠蔽できるセンサーアレイ車体内部車両の。

すべての兆候は、Apple が将来何らかの形で潜望鏡レンズを採用することを確実に示しています。 Apple がいつ引き金を引いてこのコンポーネントを組み込むのか、そしてそのテクノロジーをどこまで推し進めることができるのかはまだ分からない。

ズームの増大に伴うコンピューテーショナル・フォトグラフィーの進歩により、潜望鏡カメラのレンズは iPhone の写真撮影を新たな高みに押し上げるのに役立つ可能性があります。