بررسی پتنت‌های بزرگ‌نمایی اپتیکال در دوربین تلفن‌های هوشمند

دوربین تلفن‌های هوشمند در سال‌های اخیر بسیار پیشرفت کرده است. کیفیت و وضوح عکس بهتر شده و نویز و تداخل کاهش یافته است. اما هنوز هم با وجود این همه پیشرفت، جای برخی امکانات و ویژگی‌ها در چنین دوربین‌هایی خالی است. هنوز هم دوربین‌های ببین و بگیر یا همان کلاس کامپکت از زوم آپتیکال برخوردارند و در گوشی‌ها چنین چیزی نمی‌بینیم. بحث دوربین‌های حرفه‌ای DSLR که خود موضوعی دیگر است.

اخیراً محصولاتی مثل Galaxy Zoom سامسونگ که به نوعی ترکیب گوشی و دوربین است هم ارایه شده ولی طراحی محصول چندان دلچسب نیست چرا که از نظر ابعادی بزرگ است و نمی‌توان آن را با گوشی‌های باریک امروزی قیاس کرد.

مشکل اصلی این است که مکانیزم فوکوس خودکار و زوم نوری (آپتیکال زوم)، برای یک دوربین با ابعاد مینیاتوری که قرار است روی یک گوشی هوشمند ایفای نقش کند، کاربردی نیست.

در تصویر زیر سیستم بزرگ‌نمایی (Afocal zoom system) و لنز فوکوس نشان داده شده است.

عدسی سمت چپ L1 و عدسی‌های بعدی به ترتیب L2 و L3 هستند. عدسی L3 ثابت است و دو عدسی دیگر طوری جابجا می‌شود که تمرکز نور ورودی تغییر می‌کند و عمل بزرگ‌نمایی صورت می‌گیرد. عدسی چهارم Focusing Lens یا لنز فوکوس است.

به همین علت این مکانیزم بزرگ‌نمایی را Afocal به معنی فاقد فوکوس نامیده‌اند. در سه نقطه‌ای که در شکل فوق نشان داده شده، نور ورودی همگرا نمی‌شود. درست مثل تلسکوپ‌ها، و لذا به این سیستم، afocal یا فاقد فاصله‌ی کانونی گفته می‌‎شود. به عبارت دیگر تصویر جسم در فاصله‌ی بی‌نهایت شکل می‌گیرد. البته منظور بی‌نهایت فیزیکی است.

نتیجه‌ی حرکت دو لنز دیگر در تصویر زیر قابل بررسی است، فاصله‌ی نقطه‌ی برخورد پرتوهای آبی و نارنجی با حرکت لنز‌ها تغییر می‌کند. محل برخورد هم کمی جلوتر و عقب‌تر از سطح حسگر خواهد بود که لنز تنظیم فوکوس یا مکانیزم دیگری باید آن را تصحیح کند. در این فرآیند فاصله‌ی کانونی معادل تغییر می‌کند.

بنابراین کیت لنز دارای چند عدسی مختلف است که باید متحرک باشند و برای حرکت عدسی‌هایی با ابعاد بزرگ، موتورهای بزرگی هم لازم است. لذا در مجموع وقتی دوربینی با بزرگ‌نمایی بالا مثل 50x می‌بینیم، انتظار لنزی با ابعاد بالا هم داریم.

برای اینکه گوشی‌های هوشمند از نظر قابلیت بزرگ‌نمایی نوری دوربین‌های عادی قابل قیاس باشند می‌بایست یک پیشرفت جدی در زمینه‌ی بزرگ‌نمایی نوری صورت بگیرد.

طراحی دوربین و تلفن گلکسی اس 4 زوم یک نقطه‌ی شروع خوب است ولی یک گوشی به دوربین کوچک‌تری نیاز دارد

پتنت‌های متعدد ارایه شده و کمپانی‌های مختلفی در این زمینه کار کرده‌اند تا مکانیزم زوم آپتیکال را در ابعادی کوچک طراحی و تولید کنند. به هر حال پیشرفت‌های بزرگی که در زمینه‌ی سیستم‌های مایکروالکترومکنیکال و نیز فرآیند‌های تولید با دقت بالا صورت گرفته ممکن است راهی برای ظهور این قابلیت در گوشی‌های هوشمند امروزی باز کند و شاید در آینده‌ی نزدیک، اولین گوشی‌هایی که دارای زوم آپتیکال هستند را بالاخره در بازار وسایل همراه ببینیم.

مثل همیشه گوگل هم یکی از کمپانی‌های پیشرو در عرصه‌ی توسعه‌ی لنزهای زوم آپتیکال در ابعاد بسیار کوچک است. منظور از ابعاد کوچک، MEMS یا مایکرو الکترو مکنیکال سیستم است که به سیستم‌های بسیار کوچکی که از ترکیب الکترونیک و مکانیک حاصل شده‌اند اشاره دارد. مثلاً یک حسگر شتاب‌سنج که در یک تراشه‌ی فوق‌العاده کوچک خلاصه می‌شود و در بسیاری از گوشی‌های امروزی، به کار می‌رود. البته MEMS یک واژه‌ی پرکاربرد است و در عرصه‌ی صفحه نمایش، دماسنج، ژیروسکوپ و دیگر بخش‌ها هم کاربردی شده است. شاید بتوان MEMS را به صورت سیستم‌های مکانیکی در ابعاد میکروسکوپیک توضیح داد.

گوگل در سال 2012 پتنتی در مورد کاربرد MEMS در طراحی لنز ارایه کرده است. در حال حاضر برخی ماژول‌های دوربین از روش‌های مشابه برای انجام عمل فوکوس خودکار استفاده کرده‌اند. در طراحی لنزی که قابلیت فوکوس خودکار دارد هم اصول مشابهی برقرار است.

اکشوئیتور یا محرک‌های کوچک مکانیکی برای تنظیم فاصله‌ی کانونی لنز به کار گرفته می‌شود. منظور از محرک در این مورد، موتورهای بسیار کوچک است. پتنت گوگل به استفاده از لنز آلوارز اشاره می‌کند. لنز آلوارز لنزی است که از دو صفحه با ضخامت متغیر تشکیل می‌شود. بخش‌هایی با ضخامت مختلف، توان (بزرگ‌نمایی نوری) و شکست نور متفاوتی دارند.

در لنز آلوارز اگر دو صفحه درست روبروی هم باشند، فاز القایی صفر است و به محض جابجایی صفحات به موازات هم، فاز یا توان نوری که ممکن است به صورت رابطه‌ی درجه‌ی دوم، دایروی، بیضوی و استوانه‌ای باشد، ایجاد می‌گردد.

در تصویر زیر اگر دو سطح دقیقاً روبروی هم باشند، شکست نور به صورتی رخ می‌دهد که بزرگ‌نمایی حاصل صفر است. حرکت دو سطح تنها در یک راستا و به موازات هم باعث می‌شود که لنزی شبیه به لنز‌های مقعر (کوچک‌نمایی) و یا بالعکس، لنزی با توان نوری بزرگ‌تر از 1 شکل بگیرد که با واژه‌ی Positive Power Lens مشخص شده است. نتیجه حرکت، رابطه‌ی خطی برای بزرگ‌نمایی نوری است که در نمودار نشان داده شده است.

روش کار لنز آلوارز تنها یکی از روش‌هایی است که برای طراحی مکانیزم بزرگ‌نمایی در ابعاد کوچک کاربرد دارد.

آنچه موجب شده که این ساختار تاکنون به مرحله‌ی تولید انبوه و کاربرد عمومی نرسد، رابطه‌ی درجه سوم سطح منحنی شکل است که تولید آن بسیار مشکل است. روش آلوارز همان‌طور که در تصویر فوق نشان داده شده، به لنزی که تغییر کند نیاز ندارد. تنها جابجایی دو سطح است که بزرگ‌نمایی را کم و زیاد می‌کند.

قدم بعدی این است که تکنولوژی MEMS وارد گود شود، موتورهای بسیار کوچکی که قرار است بخش‌های متحرک لنز را جابجا کنند تا مقدار بزرگ‌نمایی تغییر کند.

موتورها انواع بسیار زیادی دارند. امروزی یکی از انواع موتورها که در عرصه‌ی مکانیزم‌های کوچک کاربرد زیادی دارد، موتورهای پیزوالکتریک (تلفظ صحیح پایزوالکتریک) است. در این موتورها از موادی مثل برخی سرامیک‌ها و کریستال‌ها استفاده می‌شود که با اعمال ولتاژ، فشار یا در واقع تنش در آنها ایجاد می‌شود و می‌توان به عنوان محرک از آنها استفاده کرد.

در تصویر زیر مکانیزم MEMS برای شکل‌گیری سیستم بزرگ‌نمایی نوری با استفاده از لنز آلوارز به تصویر کشیده شده است.

مطمئناً تلفن‌های هوشمند از چنین روشی بیشترین بهره را می‌برند چرا که در ابعادی کم، بزرگ‌نمایی نوری امکان‌پذیر می‌شود. اما در این روش هم برخی محدودیت‌ها وجود دارد. مثلاً مقدار بزرگ‌نمایی با لنزهای کوچک، زیاد نیست و باید به محدوده‌ی خاصی از بزرگ‌نمایی بسنده کرد. علاوه بر این نمی‌توان لنز را جایگزین کرد و یا با ماژول لنز دیگری تعویض نمود.

طرح گوگل تنها روش ساخت لنزی کوچک با قابلیت زوم آپتیکال نیست. طرح‌های دیگری با بهره‌گیری از آینه‌های منعطف برای بزرگ‌نمایی ارایه شده که در آن زاویه‌ی آینه‌ها و فوکوس لنز از طریق موتورهای کوچک کنترل می‌شود.

Wavelens هم روی طرحی کار می‌کند که در آن از غشاءهای منعطف برای بزرگ‌نمایی از لنزهایی با روغن نوری و محرک‌های MEMS استفاده می‌شود و بدین ترتیب شکل و فوکوس لنز تغییر می‌کند. این روش در ابعادی به کوچکی 0.4 میلی متر هم کاربردی است.

هر دو روش در شکل زیر نمایش داده شده است، آینه‌های منعطف در بالا و استفاده از روغن نوری در پایین:

HTC، سونی و سامسونگ در تلاشی چند ساله برای بهبود حسگر دوربین گوشی‌های خود کرده‌اند. اگر برای بهره‌مندی از زوم آپتیکال یا فوکوس خودکار از طریق لنز قرار باشد که نتیجه‌ی تلاش چند ساله‌ی خود را کنار بگذارند، مطمئناً در استفاده از آن تردید می‌کنند. لذا تکنولوژی‌های جدید لنز با در نظر گرفتن کاربرد عمومی توسط همه‌ی سازندگان معرفی می‌شود.

به عنوان مثال در تصویر فوق محصولی را می‌بینید که خود دارای ماژول 3.3 ولتی M3-F است که با حسگرها و لنزها مختلف که در محدوده‌ی ابعادی مورد نظر باشند، سازگاری دارد. حتی می‌توان آن را روی برد مدار چاپی (PCB) که سازندگان دوربین برای محصولات خود تولید کرده‌اند هم مونتاژ کرد. این ماژول در مورد تلفن‌های هوشمند هم کاربردی است و ابعادی معادل 20 در 22 در 16 میلی‌متر دارد. لذا از بدنه‌ی گوشی تا حدی بیرون می‌ماند که البته مقدار آن کم است.

در آینده‌ی نزدیک با وجود اینکه پتنت‌ها و ایده‌های مختلفی برای طراحی لنزهای کوچک دارای قابلیت بزرگ‌نمایی معرفی شده، نمی‌توان به عرضه‌ی گوشی‌هایی که این ویژگی را داشته باشند، امیدوار بود ولیکن بالاخره برخی از این ایده‌ها به مرحله‌ی تولید انبوه خواهد رسید و گوشی‌ها هم مثل دوربین‌های امروزی، دارای بزرگ‌نمایی نوری می‌شوند.