تم ابتكار تقنية عدسة جديدة لإطلاق كاميرات الهاتف بسرعة

في عام 2007 ، كانت الكاميرا على طريق iPhone الأول 2 ميغا بكسل فقط. وكان بها كاميرا خلفية واحدة فقط. لم يكن هناك حتى مطلق النار سيلفي أمامي. اليوم ، ستجد العديد من الكاميرات في الجزء الأمامي والخلفي للهواتف – بعضها يحتوي على مستشعرات تصل إلى 108 ميغا بكسل ، مثل أكبر كاميرا في Samsung Galaxy S21 Ultra.

ولكن في حين أن حجم المستشعر وعدد الميجابكسل لكاميرات الهواتف الذكية قد زاد بشكل كبير خلال العقد الماضي – ناهيك عن التقدم في برامج التصوير الحاسوبي – فإن العدسات التي تساعد في التقاط الصور لم تتغير بشكل أساسي.

اليوم ، تحاول شركة جديدة تُدعى Metalenz ، والتي خرجت من وضع التخفي ، تعطيل كاميرات هواتفها الذكية بنظام عدسة مسطحة واحد يستخدم تقنية تسمى الأسطح الفوقية الضوئية. يمكن للكاميرا المبنية حول تقنية العدسة الجديدة هذه إنتاج نفس الصورة ، إن لم تكن جودة أفضل ، باستخدام العدسات التقليدية ، وجمع المزيد من الضوء للحصول على صور أكثر إشراقًا ، وحتى تمكين طرق إدراك جديدة على الهواتف وتشغل مساحة أقل.

عدسة مسطحة

كيف يعمل؟ بادئ ذي بدء ، من المهم فهم كيفية عمل عدسات كاميرا الهاتف اليوم. قد يحتوي نظام التصوير الموجود على ظهر هاتفك الذكي على عدة كاميرات – يحتوي أحدث هاتف iPhone 12 Pro على ثلاث كاميرات في الخلف – لكن كل كاميرا بها عدسات متعددة أو عناصر عدسة مكدسة فوق بعضها البعض. يستخدم مستشعر الكاميرا الرئيسي في iPhone 12 Pro المذكور أعلاه سبعة عناصر للعدسة. تصميم متعدد العدسات مثل iPhone يتفوق على إعداد العدسة الواحدة ؛ تصبح الصورة حادة وواضحة مع مرور الضوء عبر كل عدسة متتالية.

يقول Oliver Schindelbeck ، مدير الابتكار في الشركة المصنعة للبصريات Zeiss ، المعروف بعدساته عالية الجودة: “تتكون البصريات الشائعة في الهواتف الذكية اليوم من أربعة إلى سبعة عناصر للعدسة”. “إذا كان لديك عنصر عدسة واحد ، فسيحدث انحراف ، مثل التشويه أو التشويه ، في الصورة مقارنة بالفيزياء فقط.”

تسمح المزيد من العدسات للمصنعين بالتعويض عن المخالفات مثل الانحراف اللوني (عندما تظهر الألوان عند حواف الصورة) وتشوه العدسة (عندما تظهر الخطوط المستقيمة ملتوية في الصورة). ومع ذلك ، فإن تكديس عدة عناصر للعدسة يتطلب مساحة رأسية أكبر داخل وحدة الكاميرا. هذا هو أحد الأسباب العديدة التي أدت إلى نمو الكاميرا في الهواتف الذكية بشكل مطرد على مر السنين.

يقول Schindelbeck: “كلما زاد عدد عناصر العدسة التي تريد وضعها في الكاميرا ، زادت المساحة التي تشغلها”. تشمل الأسباب الأخرى لحجم النتوء مستشعرات الصورة الأكبر والمزيد من الكاميرات ذات العدسات الزوم التي تحتاج إلى مساحة إضافية.

زادت الشركات المصنعة للهواتف مثل Apple من عدد عناصر العدسة بمرور الوقت ، وبينما يقوم البعض الآن ، مثل Samsung ، بطي البصريات لإنشاء عدسات “periscope” لقدرة أكبر على التكبير ، غالبًا ما تتعثر الشركات مع نظام عناصر العدسة المكدسة المجرب والحقيقي.

“أصبحت البصريات أكثر تعقيدًا ، لقد أضفت المزيد من عناصر العدسة ، وقمت بإنشاء عناصر شبه كروية قوية لتحقيق التخفيض المطلوب في المساحة ، ولكن لم تحدث ثورة في هذا المجال في السنوات العشر الماضية ،” كما يقول شيندلبيك.

هنا يأتي دور ميتالينز. بدلاً من استخدام عناصر عدسة بلاستيكية وزجاجية مكدسة على مستشعر الصورة ، يستخدم تصميم Metalenz عدسة واحدة مبنية على رقاقة زجاجية بقياس 1×1 إلى 3×3 ملليمترات. انظر عن كثب تحت المجهر وسترى بنى نانوية ، واحد على الألف من عرض شعرة الإنسان. تعمل هذه الهياكل النانوية على ثني أشعة الضوء للتغلب على العديد من أوجه القصور في أنظمة الكاميرا ذات العدسة الواحدة.

تم إنشاء التكنولوجيا الأساسية نتيجة عشر سنوات من البحث بينما كان المؤسس المشارك والرئيس التنفيذي روبرت ديفلين يحضر الدكتوراه في جامعة هارفارد مع الفيزيائي الشهير والمؤسس المشارك لشركة ميتالينز ، فيديريكو كاباسو. تمت إزالة الشركة من مجموعة البحث في عام 2017.

يمر الضوء عبر هذه الهياكل النانوية المنقوشة التي تشبه ملايين الدوائر بأقطار مختلفة على المستوى المجهري. يقول ديفلين: “تمامًا كما تقوم العدسة المنحنية بتسريع الضوء وإبطائه لثنيها ، فإن كل واحدة من هذه العدسات تسمح لنا بفعل الشيء نفسه حتى نتمكن من ثني الضوء وتشكيله فقط عن طريق تغيير أقطار هذه الدوائر”.

تكون جودة الصورة الناتجة حادة كما قد تحصل عليها من نظام متعدد العدسات ، وتقوم البنى النانوية بمهمة تقليل أو إزالة العديد من الانحرافات المشوهة للصورة التي تُشاهد عادةً في الكاميرات التقليدية. والتصميم لا يوفر مساحة فقط. يقول ديفلين إن كاميرا Metalenz يمكن أن توفر المزيد من الضوء لمستشعر الصورة وتوفر صورًا أكثر إشراقًا ووضوحًا مما قد تحصل عليه مع عناصر العدسة التقليدية.

فائدة أخرى؟ دخلت الشركة في شراكة مع اثنين من رواد صناعة أشباه الموصلات (التي يمكنها حاليًا إنتاج مليون “رقاقة” ميتالينز يوميًا) ، مما يعني أن البصريات مصنوعة في نفس المسابك التي تنتج الأجهزة الاستهلاكية والصناعية – وهي خطوة مهمة في تبسيط سلسلة التوريد.

طرق جديدة للإدراك

ستدخل شركة Metalenz الإنتاج الضخم في نهاية العام. سيكون تطبيقه الأول بمثابة نظام العدسة لمستشعر ثلاثي الأبعاد في الهاتف الذكي. (لم تذكر الشركة اسم الشركة المصنعة للهاتف.)

يقول ديفلين إن المستشعرات ثلاثية الأبعاد الحالية ، مثل كاميرا TrueDepth من Apple لـ Face ID ، تضيء مشهدًا باستخدام الليزر لمسح الوجوه ضوئيًا ، ولكن هذا يمكن أن يقلل من عمر بطارية الهاتف. تدعي شركة Metalenz أنه نظرًا لأنه يمكن أن يجلب المزيد من الضوء إلى مستشعر الصورة ، فيمكنه المساعدة في الحفاظ على الطاقة.

هل هناك أخبار جيدة أخرى؟ يقول Devlin إنه إذا كان مستشعرًا ثلاثي الأبعاد في مقدمة الهاتف لمصادقة الوجه ، فإن نظام Metalenz يمكن أن يلغي الحاجة إلى درجة كبيرة من الكاميرا تنبثق من الشاشة وتخرج منها مثل أجهزة iPhone الحالية. سيسمح مقدار المساحة التي يتم توفيرها بالتخلي عن عناصر العدسة التقليدية لمزيد من مصنعي الهواتف بوضع المستشعرات والكاميرات تحت الشاشة الزجاجية للجهاز ، وسنرى المزيد هذا العام.

يقول ديفلين إن تطبيقات Metalenz تتجاوز الهواتف الذكية. يمكن استخدام هذه التقنية في كل شيء من مركبات الرعاية الصحية إلى كاميرات الواقع المعزز والافتراضي إلى الكاميرات في السيارات.

خذ التحليل الطيفي كمثال. يستخدم مقياس الطيف للكشف بدقة عن الأطوال الموجية المختلفة للضوء وغالبًا ما يستخدم في التحليل الطبي لتحديد جزيئات معينة في الدم. نظرًا لأن الأسطح الوصفية تتيح لك “خفض الجزء العلوي من الجدول البصري على سطح واحد” ، يدعي Devlin أنه يمكنك تشغيل المستشعرات الصحيحة على هاتف Metalenz الذكي للقيام بنفس نوع العمل.

يقول ديفلين: “يمكنك في الواقع إلقاء نظرة على البصمة الكيميائية للفاكهة باستخدام مطياف ومعرفة ما إذا كانت ناضجة”. “لم تعد هذه مجرد صورة ، فأنت في الواقع تصل إلى جميع أنواع الأشكال الحسية المختلفة ، وترى وتتفاعل مع العالم وتنقل مجموعة جديدة كاملة من المعلومات إلى الهاتف المحمول.”

تم نشر هذه القصة في الأصل على wired.com.