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Handy-Kameras mit Zoom
Obwohl jede Generation von Handykameras mehr Megapixel aufnimmt, können die Bilder immer noch nicht die Qualität von denen erreichen, die mit Standalone-Kameras aufgenommen wurden. Der Hauptgrund: das Objektiv. In einer Mobiltelefonkamera sind die eingebetteten Linsen an Ort und Stelle eingefroren, ohne dass ein Motiv physisch vergrößert werden kann.
Dieses neuartige Objektivdesign verfügt über die Zoomfunktionen eines 40 Millimeter langen Teleobjektivs, obwohl es nur 5 Millimeter dick ist. Der Trick besteht darin, Licht vom äußeren Rand (dem dunklen Ring) zu sammeln; reflektieren Sie es achtmal innerhalb der Linse, indem Sie Spiegel auf der Vorder- und Rückseite verwenden; und fokussieren Sie es auf einen Kamerasensor.
Aber jetzt arbeiten Forscher der University of California in San Diego (UCSD) mit einem Optikunternehmen aus Illinois zusammen Fernfokus , ein neuartiges Objektiv entwickelt, mit dem Handykameras Nahaufnahmen machen könnten. Joseph Ford , Professor für Elektrotechnik und Computertechnik an der UCSD, und seine Gruppe haben eine fünf Millimeter dicke Linse entwickelt, die die Stärke eines normalerweise 40 Millimeter langen optischen Systems hat. Das neuartige Design der Gruppe sammelt Licht und reflektiert es innerhalb des Objektivs, um den vollen 40-Millimeter-Lichtweg zu erhalten, und fokussiert dann das Licht auf den Sensor der Kamera. Ford sagt, dass die Objektive zusätzlich zu Handykameras in allen Situationen verwendet werden könnten, in denen eine kleine und leichte, aber leistungsstarke Kamera, von einem Teleskop bis hin zu einem militärischen Bildgebungssystem, benötigt wird. Die Forschung wird von der US Defense Advanced finanziert Research Projects Agency im Rahmen des MONTAGE-Imager-Programms.
Die Forschung basiert auf einer Technologie namens gefaltetes optisches System, die heute in einigen Teleskopen zu finden ist. In diesen Teleskopen wird eine Reihe separater Linsen und Spiegel verwendet, um die Distanz zu vergrößern, die das Licht zurücklegt, bevor es den Bildsensor erreicht, eine Distanz, die als Brennweite bekannt ist. Licht wird mit einer Linse an einem Ende gesammelt, zwischen Spiegeln reflektiert und dann auf einen Sensor fokussiert. Je länger die Brennweite eines Systems ist, desto größer erscheint das endgültige Bild. Fords Gruppe komprimierte diese Idee zu einer neuartigen dünnen Linse und konstruierte sie so, dass Licht achtmal im Inneren der Linse reflektiert wird, bevor es auf den Sensor trifft.
Dazu nahmen die Forscher extreme Modifikationen an einem herkömmlichen Objektiv vor. Zuerst verwendeten sie Diamantbearbeitung, um Spiegeloberflächen aus einem Linsenmaterial namens Calciumfluorid zu schnitzen. Die Spiegel lenken das Licht und ändern seinen Weg, sodass das gesamte Licht auf den Sensor der Kamera konvergiert. Zweitens haben sie sowohl die Vorder- als auch die Rückseite des Kalziumfluorids mit Spiegeln beschichtet, damit das Licht im Inneren der Linse reflektiert wird. Der Schlüssel zur Funktion dieser Linse ist die präzise Ausrichtung zwischen den Spiegeln, die durch die Bearbeitung aus einem einzigen Stück erreicht wird .
Der Spiegel an der Vorderseite des Objektivs blockiert laut Ford etwa 90 Prozent des Lichts, was den Kontrast in einem Bild verringern kann. Aber selbst bei so viel Licht blockiert, sagt er, die Kamera der Gruppe war in der Lage, fast so gut zu sein wie ein herkömmliches Objektiv, fast zehnmal so lang, und Bilder zu produzieren, die nur geringfügig weniger scharf sind als die mit einer herkömmlichen Kamera, bei der 100 Prozent des Lichts eines Bildes gehen durch das Objektiv.
Das Blockieren des Objektivs, wie es die Gruppe getan hat, lässt einen winzigen, unscharfen Ring um ein Bild herum erscheinen. Dieser Ring hat jedoch einen Durchmesser von etwa einem Mikrometer, und da die meisten Lichtsensoren in Kameras nur bis zu einer Auflösung von zwei Mikrometern empfindlich sind, ist der Ring nicht nachweisbar. Wenn Sie einen perfekten Detektor mit unendlicher Auflösung hätten, wäre dies eine Katastrophe, sagt Ford. Aber es funktioniert gut für die Art von Sensoren, die wir für [Digitalkameras] finden würden.
Die UCSD-Forschung nutzt ein bekanntes optisches System, sagt Jose Saisián , Professor für optische Wissenschaften und Astronomie an der University of Arizona in Tucson, räumt jedoch ein, dass das Design einzigartig ist. Ich denke, es hat einige Vorteile, sagt er. Sie nahmen diese Idee auf, analysierten sie gut, und sie kann einige interessante Anwendungen haben.
Ford räumt ein, dass der erste Prototyp des Konzerns einige Nachteile hatte. Der erste Prototyp hatte beispielsweise eine begrenzte Schärfentiefe, was dazu führte, dass alles, was ungefähr fünf Zentimeter vor oder hinter dem Fokuspunkt des Objektivs liegt, unscharf erscheint. Sein Team habe jedoch verschiedene Linsenformen erforscht, die die Schärfentiefe erhöhen, und erfolgreiche Kameraprototypen gebaut. Ein zweiter, kleinerer Prototyp, der einen Schnitt aus einem runden Objektiv verwendete, entsprach der Schärfentiefe der herkömmlichen Kamera. Ford behauptet, dass der Imager der dritten Generation, der jetzt getestet wird, noch kleiner sein wird.