Camera lồi trên smartphone sẽ sớm trở thành “dĩ vãng” nhờ công nghệ thấu kính phẳng mới đang được phát triển

Công nghệ quang học trên smartphone nhìn chung khá giống nhau trong hơn 1 thập kỷ qua. Camera trên iPhone ra mắt vào năm 2007 chỉ có độ phân giải 2MP. Và nó chỉ có một camera sau, thậm chí còn không có camera selfie ở phía trước.

Nhưng giờ đây, bạn sẽ thấy số camera trước lẫn camera sau của điện thoại ngày càng nhiều hơn một con số. Đó là chưa kể kích thước và độ phân giải của cảm biến ngày càng được cải tiến cao hơn, thậm chí lên tới 108MP trên Galaxy S21 Ultra hay dòng Redmi Note 9 5G, v.v.

Nhưng trong khi kích thước cảm biến và số chấm của camera trên smartphone đã tăng lên đáng kể trong thập kỷ qua, chưa kể đến những cải tiến về thuật toán nhiếp ảnh thì ống kính camera về cơ bản vẫn không thay đổi.

Một công ty mới có tên Metalenz đang tìm cách thay đổi điều này với hệ thống ống kính phẳng, duy nhất sử dụng công nghệ gọi là optical metasurfaces (siêu bề mặt quang học).

Camera sử dụng công nghệ ống kính mới này có thể tạo ra hình ảnh chất lượng tương tự nếu không muốn nói là tốt hơn các ống kính truyền thống nhờ khả năng thu sáng tốt hơn và thậm chí có thể thúc đẩy sự ra đời của các hình thức cảm biến mới cho điện thoại mà không bị chiếm quá nhiều không gian.

Thấu kính phẳng Metalenz hoạt động như thế nào?

Đầu tiên, điều quan trọng là phải hiểu cách hoạt động của ống kính camera trên điện thoại. Hiện tại hệ thống chụp ảnh trên smartphone bao gồm khá nhiều camera. Ví dụ như trên iPhone 12 Pro có tới 3 camera sau hay Galaxy S21 Ultra là 4 camera sau. Mỗi một camera sẽ sử dụng một thấu kính hoặc nhiều lớp thấu kính xếp chồng lên nhau để đạt được tiêu cự mong muốn.

Cảm biến camera chính trên iPhone 12 Pro sử dụng bảy thành phần thấu kính. Thiết kế nhiều thấu kính vượt trội hơn so với chỉ một thấu kính khi ánh sáng đi qua từng thấu kính liên tiếp, hình ảnh sẽ đạt được độ sắc nét và rõ ràng hơn.

Oliver Schindelbeck, giám đốc đổi mới của nhà sản xuất quang học danh tiếng Zeiss cho biết: “Hệ thống quang học dùng trong smartphone ngày nay bao gồm từ bốn đến bảy thành phần thấu kính. Nếu chỉ có một thành phần thấu kính duy nhất, bạn có thể gặp hiện tượng quang sai như biến dạng hoặc phân tán hình ảnh”.

Nhiều thấu kính hơn cho phép các nhà sản xuất có thể giảm tối đa các hiện tượng quang sai ở rìa ảnh và biến dạng ống kính (khi các đường thẳng bị bẻ cong trong bức ảnh). Tuy nhiên, việc xếp chồng nhiều thành phần ống kính lên nhau đòi hỏi nhiều không gian hơn trong mô-đun camera. Đó là một trong nhiều lý do khiến camera trên smartphone ngày càng lớn và lồi hơn.

Schindelbeck cho biết: “Bạn muốn tích hợp càng nhiều thành phần thấu kính trong camera thì càng cần nhiều không gian hơn. Một số lý do khiến cụm camera lồi hơn bao gồm cảm biến hình ảnh lớn hơn, tích hợp nhiều camera hơn, trong đó có sử dụng ống kính zoom nên sẽ cần thêm nhiều không gian”.

Các nhà sản xuất điện thoại như Apple đã tăng số lượng thành phần thấu kính theo thời gian và Samsung đang áp dụng công nghệ ống kính “tiềm vọng” cho khả năng thu phóng lớn hơn và tiết kiệm không gian. Tuy nhiên nhìn chung các hãng vẫn đang gặp khó với thành phần thấu kính xếp chồng.

Schindelbeck nhấn mạnh: “Quang học ngày càng trở nên phức tạp hơn khi chúng ta đang bổ sung thêm nhiều thấu kính nhưng không có cuộc cách mạng nào trong 10 năm qua trong lĩnh vực này”.

Sự ra đời của Metalenz

Thay vì sử dụng các thành phần thấu kính bằng nhựa và thủy tinh xếp chồng lên nhau trên cảm biến hình ảnh, thiết kế của Metalenz sử dụng một thấu kính duy được chế tạo trên một tấm kính có kích thước từ 1×1 đến 3×3 milimet.

Hãy quan sát thật kỹ dưới kính hiển vi và bạn sẽ thấy những cấu trúc nano có chiều rộng bằng một phần ngàn chiều rộng của sợi tóc người. Các cấu trúc nano đó bẻ cong các tia sáng và khắc phục nhiều khuyết điểm của hệ thống camera sử dụng một thấu kính.

Đây là thành quả sau một thập kỷ nghiên cứu khi đồng sáng lập kiêm CEO Robert Devlin đang làm việc tại Đại học Harvard cùng nhà vật lý nổi tiếng và đồng sáng lập Metalenz có tên Federico Capasso. Công ty sau đó đã được thành lập vào năm 2017.

Ánh sáng đi qua các cấu trúc nano hoa văn này trông giống như hàng triệu vòng tròn với đường kính khác nhau ở cấp độ vi mô. Devlin chia sẻ: “Theo cách một thấu kính cong tăng tốc và làm chậm ánh sáng để bẻ cong nó, mỗi thấu kính đều cho phép chúng ta làm điều tương tự, vì vậy chúng ta có thể uốn cong và định hình ánh sáng chỉ bằng cách thay đổi đường kính của những vòng tròn này”.

Chất lượng hình ảnh thu được từ hệ thống Metalenz cũng sắc nét tương tự các hệ thống dùng nhiều thấu kính và các cấu trúc nano dùng để giảm hoặc loại bỏ quang sai trên camera truyền thống. Thiết kế quang học mới Metalenz không chỉ tiết kiệm không gian mà còn cung cấp nhiều ánh sáng cho cảm biến hình ảnh, cho phép hình ảnh sáng hơn và sắc nét hơn các hệ thống ống kính truyền thống.

Hiện Metalenz đã thiết lập quan hệ đối tác với hai hãng bán dẫn hàng đầu giúp hãng có thể sản xuất khoảng 1 triệu thấu kính phẳng mỗi ngày. Quá trình sản xuất hàng loạt dự kiến sẽ diễn ra vào cuối năm nay. Ứng dụng đầu tiên của nó sẽ là hệ thống thấu kính của cảm biến 3D trên smartphone.

Devlin cho biết, các cảm biến 3D hiện tại như camera TrueDepth hỗ trợ tính năng Face ID thường chủ động chiếu sáng hình ảnh bằng tia laser để quét khuôn mặt nhưng điều này có thể làm hao pin. Vì Metalenz có thể mang lại nhiều ánh sáng hơn cho cảm biến hình ảnh nên sẽ giúp tiết kiệm điện năng hơn.

Tin tốt là hệ thống Metalenz sẽ giúp loại bỏ thiết kế “tai thỏ” vốn sinh ra để chứa các cảm biến 3D để xác thực khuôn mặt. Khoảng không tiết kiệm được sẽ cho phép các nhà sản xuất smartphone đặt cảm biến và camera bên dưới màn hình.

Ứng dụng của Metalenz có thể vượt ra ngoài smartphone. Công nghệ này có thể sử dụng trong mọi thứ, từ dụng cụ chăm sóc sức khỏe đến camera thực tế ảo, AR, cho đến camera trên ôtô.

Tham khảo Arstechnica