10 Minutės
Įvadas
Netrukus jūsų kišenėje gali būti kamera, kuri vietoj įprastų smulkių stiklo lęšių naudoja šviesos kreipimą per specialų optinį sluoksnį. Apple tyliai tyrinėja vaizdo jutiklių (kameros sensorių) perdizainą, kuriame tradiciniai mikroobjektyvai būtų pakeisti inžineriniu optiniu sluoksniu, vadinamu metasluoksniu.
Pavizduokite jutiklį kaip trijų sluoksnių sumuštinį: pikselių sluoksnis apačioje, spalvų filtras viduryje ir plonytė metasluoksnio plėvelė viršuje. Tas metasluoksnis nėra lęšis tradicine prasme; tai nanostruktūrų audinys, nukreipiantis skirtingas bangos ilgius į konkrečius pikselius itin preciziškai. Rezultatas — selektyvus raudonos, žalios ir mėlynos šviesos nukreipimas, net kai jų keliai persidengia.
Todėl tai svarbu? Nes tai leidžia Apple reguliuoti jautrumą pagal spalvą. Raudonos ir mėlynos dažnai gauna mažiau fotonų; metasluoksnis gali skirti jiems daugiau „žemės ploto“ surinkti šviesai, o žaliesiems pikseliams palikti mažesnį, bet smulkesnį ir ryškesnį paviršių. Toks dizainas subalansuoja jautrumą ir detalumą ten, kur mikroobjektyvai to padaryti negali.
Šis požiūris žada ryškesnes nuotraukas prasto apšvietimo sąlygomis, tikslesnį spalvų balansą ir greitesnį fazės aptikimo autofokusą be storų kameros iškilimų.
Fazės aptikimo autofokusas gali būti integruotas tiesiai į metasluoksnio sluoksnį, todėl fokusavimas tampa greitesnis ir patikimesnis neaukojant pikselių tankio ar didinant modulio storį. Paprastai tariant: geresnis autofokusas ypač temniuose scenose, be įprastinių aparatūrinių kompromisų.
Be vaizdo kokybės, metasluoksniai atveria galimybes kompaktiškesnėms daugiasensorinėms konstrukcijoms ir plonesniems įrenginiams. Toks lankstumas svarbus visoje Apple produktų šeimoje — nuo iPhone ir iPad iki Mac ir net nešiojamų įrenginių — nes gamintojas gali kelti vaizdo našumą neprarasdamas plonumo ir dėvėjimo patogumo.
Praktinių privalumų yra ir daugiau. Jei jutiklyje natūraliai geriau atskiriamos spalvos, vaizdams reikia mažiau agresyvių programinių korekcijų. Mažiau skaičiavimo taisymų. Didesnė spalvų ištikimybė. Tai reikšmingas poslinkis: stebuklas vėl vyksta optikoje, o ne tiktai programinėje įrangoje.
Kol kas tai ankstyva stadija, bet Apple siekis pereiti prie metasluoksnių jutiklių rodo, kad kompanija nori perlipti esamas mobiliųjų kamerų fizines ribas. Jei tai pavyks, kitos kartos Apple kameros galėtų reikšti visiškai naujas taisykles išmaniosios fotografijos srityje. Stebėkite aparatinę įrangą — nes šviesos nukreipimas dabar svarbesnis nei bet kada.
Kas yra metasluoksnis?
Metasluoksnis (angl. metasurface) — tai plona, dažnai kelių nanometrų arba mikrometrų storio optinė plėvelė, sudaryta iš tankiai išdėstytų nanostruktūrų arba scattererių. Kiekviena nanostruktūra veikia kaip mažytė difrakcinė ar fazinę būseną keičianti „skulptūra“, kuri vietiškai valdo einančios šviesos fazę, amplitudę ir polarizaciją. Kartu jos sugeba formuoti didesnį bangosfrontą, atlikdamos funkcijas, kurias anksčiau atliko tradiciniai lęšiai ar kompleksinės optinės sistemos.
Metasluoksnio veikimo principas
Pagrindinis metasluoksnio skirtumas nuo įprastų optinių elementų — jo gebėjimas valdyti šviesos bangosfrontą subbangos ilgio mastu. Kiekvienos nanostruktūros dydis, forma ir medžiaga yra parenkami taip, kad vietiškai sukurti reikiamą fazės pokytį arba difrakciją tam tikroms bangos ilgių grupėms. Tokiu būdu metasluoksnis gali kryptiškai nukreipti tam tikras spalvas į konkrečius pikselius, kompensuoti aberacijas arba net įgyvendinti fazės aptikimo funkcijas be papildomų mechaninių komponentų.
Medžiagos, dažnai naudojamos metasluoksniams, apima dielektrikus (pvz., silicio nitridas, titano dioksidas) dėl jų mažų nuostolių matomame ir artimame infraraudonajame diapazone. Nanostruktūroms gaminti taikomos pažangios litografijos technologijos, tokios kaip e-beam, EUV ar DUV, priklausomai nuo reikiamo raiškumo ir masto gamybai.
Metasluoksnis ir lęšių tradicija
Nors funkcionalumu metasluoksnis gali pakeisti tradicinius lęšius, jo principas yra kardinaliai kitoks. Vietoje kreivų paviršių, kurie lūžia šviesą pagal Snell įstatymą, metasluoksnis naudoja vietinį fazės inžineriją, leidžiančią sukurti sudėtingus optinius atsakus viename ploname sluoksnyje. Tai suteikia galimybių mažinti optinės sistemos apimtį ir integruoti papildomas funkcijas (pvz., difrakcinį filtravimą arba poliarizacijos valdymą) tiesiai ant jutiklio paviršiaus.
Privalumai prieš mikroobjektyvus
Palyginus metasluoksnius su įprastiniais mikroobjektyvais, atsiranda keli esminiai privalumai:
- Spalvų jautrumo reguliavimas: metasluoksnis gali nukreipti skirtingus bangos ilgius į skirtingus pikselius, leidžiant optimizuoti raudonų, žalių ir mėlynų elementų jautrumą.
- Plokštumas ir storio mažinimas: daugiafunkcinis sluoksnis gali pakeisti kelis optinius elementus, sumažinant modulio iškilimą ir leidžiant plonesnį korpusą.
- Integruotas fazės aptikimas: metasluoksnis gali turėti struktūras, reikalingas fazės informacijos gavimui, tad PD‑AF funkcija gali būti įgyvendinta be papildomų perjungiamų optinių elementų.
- Mažesnė programinė korekcija: natūralesnė spalvų separacija jutiklyje reiškia mažiau skaitmeninio taisymo ir labiau ištikimus vaizdus.
Techniniai iššūkiai ir gamyba
Vis dėlto metasluoksnių integracija į masinės gamybos jutiklius susiduria su realiais iššūkiais. Pagrindiniai techniniai klausimai apima:
- Didelio ploto nanostruktūrų gamyba: aukštos raiškos litografija reikalauja brangių įrenginių ir gali būti lėtesnė nei klasikinė lęšių gamyba.
- Derlingumas (yield): smulkūs defektai gali paveikti optinį veikimą, kai visi elementai turi veikti itin preciziškai.
- Ilgaamžiškumas ir patikimumas: metasluoksnis turi išlikti stabilus terminėse ir mechaninėse apkrovose per įprastą įrenginio gyvavimo ciklą.
- Medžiagų pasirinkimas ir nuostoliai: reikia medžiagų, kurios būtų mažai sugeriančios regimajame diapazone ir suderinamos su CMOS gamyba.
Be to, metasluoksnių efektyvumui turi būti atsižvelgiama į plataus kampo ir plataus spektro veikimą — vienas metasluoksnio dizainas gali būti optimizuotas tam tikriems kampams ar bangos ilgiams, todėl universalaus sprendimo sukūrimas reikalauja sudėtingo kompromiso arba kelių sluoksnių koncepcijų.
Fazės aptikimo autofokusas metasluoksnyje
Fazės aptikimo autofokusas (angl. phase-detection autofocus, PD‑AF) įprastai reikalauja atskirų pikselių arba specialių fotodetektorių išdėstymo jutiklyje. Integruojant PD‑AF į metasluoksnį, tam tikros nanostruktūros gali sukurti fazinę poslinkio informaciją arba nukreipti šviesos dalis į atskirus regionus, leidžiant gauti tiesioginę fokusavimo informaciją be papildomų optinių modulinių komponentų.
Tai reiškia keletą praktinių privalumų:
- Greitesnis fokusavimas tamsoje dėl didesnio šviesos surinkimo efektyvumo raudonos ir mėlynos skiltyse.
- Mažesnis energijos suvartojimas ir greitesni ciklai, nes dauguma fokusavimo sprendimų gali būti apdorojami efektyviau.
- Galimybė išlaikyti didelį pikselių tankį nekeičiant aparatūros dydžio.
Spalvų jautrumas ir demosaikinimas
Vienas iš metasluoksnių įdomių aspektų yra galimybė natūraliai suprasti ir nukreipti spektrinius komponentus tiesiai ant jutiklio paviršiaus. Tai lemia, kad tradicinis demosaikinimo procesas (kai iš Bayer masyvo atkuriamos pilnos spalvos) gali būti supaprastintas arba pakeistas naujokiškomis remapavimo schemomis, kurios atsižvelgia į metasluoksnio sukurtą spektrinį paskirstymą.
Tai gali reikšti mažesnį triukšmą, geresnę spalvų ištikimybę ir mažesnį poreikį taikyti programinius filtrus, kurie kartais išplauna smulkias detales ar sukuria dirbtiną apdorojimo „tekstūrą“.
Įtakos Apple produktų dizainui
Metasluoksniai gali kardinaliai paveikti Apple produktų dizainą ir funkcionalumą. Konkrečiai:
- Thinness (plonas profilis): jei optinės funkcijos perkeliamos į ploną sluoksnį, galima ženkliai sumažinti foto modulio iškilimą ant telefono nugarėlės.
- Daugiasensorinės architektūros: metasluoksniai gali padėti išdėstyti kelis kamerų modulius artimiau vienas kito, suteikiant galimybę naujiems anamorfiniams ar hibridiniams objektyvams.
- Platesnė produktų linija: iPhone, iPad, o netgi Apple Watch kameros galėtų naudotis metasluoksnių privalumais, jeigu technologija taps ekonomiškai ir techniškai perspektyvi masinei gamybai.
Taip pat svarbu produktyvumo aspektas: geresnė optinė kokybė jutiklyje mažina priklausomybę nuo procesoriaus ir vaizdo signalo apdorojimo (ISP), o tai gali mažinti energijos poreikį arba atlaisvinti resursus kitoms funkcinėms sritims.
Iššūkiai, rizikos ir patentinės nuosavybės aplinka
Nors potencialas didelis, yra ir rizikų. Metasluoksniai gali sukelti jautrumą tam tikroms kampinėms ar spektrinėms sąlygoms, o jų veikimas gali skirtingai reikštis skirtingose scenose (pvz., platesnis kampas arba plačiajuostė šviesa). Be to, patentai ir intelektinė nuosavybė (įskaitant Apple patentus apie metasluoksnius) gali nulemti, kaip greitai ir plačiai technologija bus priimta pramonėje.
Pramonės tiekimo grandinės pertvarkymas, naujų gamybos pajėgumų statyba ir kokybės kontrolės procesai taip pat reikalauja investicijų ir laiko. Todėl nors demonstraciniai pavyzdžiai gali atrodyti įspūdingi laboratorijoje, masinė komercializacija visada reikalauja papildomų etapų ir kompromisų.
Ateities perspektyvos ir laiko horizontas
Remiantis viešai prieinama informacija ir technologijų brandos trajektorija, metasluoksnių integracija į komercinius mobiliųjų įrenginių jutiklius gali užtrukti kelerius metus. Pirmieji atvejai greičiausiai pasirodys aukščiausios klasės įrenginiuose arba kaip eksperimentiniai modeliai. Vėliau, kai gamyba taps pigesnė ir patikimesnė, sprendimai gali paplisti ir platesnioje produktų linijoje.
Tuo pačiu metasluoksniai gali paskatinti ir programinės įrangos bei aparatūros sinergiją: mažesnis poreikis korekcijoms gali lemti paprastesnes ISP grandines arba naujus derinimo metodus, skirtus išryškinti natūralesnį vaizdo vaizdą.
Išvados
Metasluoksnių integracija į vaizdo jutiklius žada reikšmingą poslinkį mobiliosios fotografijos technologijoje: didesnis jautrumas tamsoje, tikslesnė spalvų atkūrimo, greitesnis autofokusavimas ir kompaktiškesnis dizainas. Tačiau kelias iki plačios pritaikymo gali būti ilgas — priklausys nuo gamybos metodų, derlingumo bei medžiagų ir patentinių sąlygų.
Apple judesiai šioje srityje verta stebėti, nes jei kompanija sugebės praktiškai įgyvendinti metasluoksnių privalumus dideliais mastais, tai gali pakeisti taisykles, pagal kurias vertiname mobilinių įrenginių kameras. Šviesos nukreipimas ir optinė inžinerija vėl atsiduria technologinės pažangos centre.
Dažnai užduodami klausimai
- Kuo metasluoksnis skiriasi nuo tradicinio lęšio?
Metasluoksnis valdo šviesos fazę ir amplitudę nanoskale per vietinius scattererius, o tradicinis lęšis naudoja kreivą paviršių šviesos lūžiui; abu atlieka panašias optines funkcijas, bet metasluoksnis yra plonesnis ir gali integruoti papildomas funkcijas. - Ar metasluoksnis leis sumažinti kamerų iškilimą telefonuose?
Taip — metasluoksniai gali pakeisti kelis optinius elementus, sumažinant reikiamą optinį atstumą ir leidžiant plonesnį telefono profilį. - Kada metasluoksniai gali pasirodyti komerciniuose Apple įrenginiuose?
Tikslus laikas nežinomas; galimi eksperimentiniai sprendimai artimiausiame kelerių metų horizonte, o platesnė integracija priklausys nuo gamybos brandos ir derlingumo.
Šaltinis: smarti
Komentarai
bitas
Na wow, optika vėl į sceną! Jei metasluoksniai veiks kaip sako, ploni telefonai + geresnės naktinės. Bet vis tiek gamyba ir kaina, nežinau...
Palikite komentarą