ペリスコープレンズでiPhoneカメラのズーム性能を向上

消費者に最高のスマートフォンカメラを提供するための絶え間ない競争の中で、Appleがまだ革新を起こせていない分野の一つが光学ズームです。これはいわゆる「ペリスコープレンズ」を活用できる可能性があります。この技術の仕組みと、iPhoneやその他の画像処理機能搭載製品のズーム範囲をどのように拡大できるかを説明します。

長年にわたり、スマートフォンメーカーは消費者に最適なユーザーエクスペリエンスを提供するために尽力してきました。その一部は写真撮影の分野にも及んでいます。カメラセンサーの改良により、写真の解像度が向上し、低照度性能や光学式手ぶれ補正も向上しました。

スマートフォンのカメラ戦争は、オンボードアルゴリズムと、場合によっては複数のカメラセンサーの使用によって、単一のカメラだけで撮影できるよりもはるかに詳細で高品質な画像を生成できる計算写真術にも大きな焦点が当てられています。

しかし、写真撮影の要素の 1 つである、ユーザーが光学ズームをどの程度まで行えるかという問題は、スマートフォン製造業者が克服しようと懸命に取り組んでいる課題です。

空間、あるいはその欠如

スマートフォンメーカーが直面する主要な問題は、カメラレンズを光学的にズームするには、レンズ要素とスペースの組み合わせが必要になることです。カメラレンズが様々なズームレベル（通常は焦点距離と呼ばれます）を提供するには、同じレンズ要素も移動する必要があり、さらに大きなスペースを占める可能性があります。

ここで問題となるのは、そもそもスマートフォンの内部容積がそれほど大きくないことです。

一般的なスマートフォンの厚さはわずか0.3インチ（約1.3cm）、具体的にはiPhone 12 Proシリーズでは7.4mm（0.29インチ）です。そもそもこれだけの余裕があるとは言えませんが、そのスペースは他のコンポーネントと共有する必要があります。

ガラス、ケース、ディスプレイアセンブリ、その他多くのコンポーネントが厚さの一部を占め、薄型のカメラセンサーを搭載できるだけのスペースが残ります。Appleはカメラバンプという形で厚みを増やすことでスペースを最大化していますが、それでもセンサー用のスペースはあまり確保できません。

センサー上部のレンズアセンブリには、可動部品を配置するスペースがないため、あるいは高度なレンズ要素配置を用いて遠距離のズームを実現するスペースがないため、固定式のレンズアセンブリが採用されています。フォーカスや光学式手ぶれ補正などのために可動式にすることも可能ですが、光学ズームを向上させるには十分なスペースではありません。

ズーム機能を提供する必要性を回避するため、スマートフォンメーカーは背面に複数のカメラセンサーを搭載し、望遠、広角、超広角の3つの画像に対応するために異なるレンズアセンブリを搭載しています。使用するセンサーと、そのセンサーが使用するレンズを切り替えることで、スマートフォンはその時点でのズームレベルを変更できます。

スマートフォンメーカーは、ユーザーに何らかの形でズーム調整機能を提供するために、光学ズームに加えてデジタルズームを搭載しています。これは通常、センサーから出力された画像を操作してトリミングし、ユーザーが期待する解像度に合わせて画像のサイズを変更することを意味します。

スマートフォンメーカーにとっては十分に便利で、様々な焦点距離に対応できるものの、デジタルズームは必ずしも最適なソリューションとは言えません。デジタルズームは、ピクセル数を増やすためにデータを操作しているだけなので、通常、同レベルの光学ズームよりも画質が劣ります。

現代のデジタルズーム技術により、スマートフォンメーカーは自社のデバイスがはるかに高い範囲でズームできることを売りにすることができ、これは広告目的には最適です。

例えば、iPhone 12 Pro Maxは光学ズーム範囲が2.5倍から2倍までです。デジタルズーム機能を加えると、12倍ズームが可能になります。

スマートフォンメーカーにとって、より高品質な光学ズームをさらに追加する方法という疑問が残る。

初期のズーム強化の試み

初期のスマートフォンのいくつかは、いくつかの方法でこの問題を回避しましたが、成功の度合いはさまざまでした。

Nokia Lumia 1020は、まずは巨大なイメージセンサーを搭載するというシンプルな方針を採用しました。2013年の発売当時、41.3メガピクセルのセンサーは大きなアドバンテージとなり、被写体にズームインする際に大きな余裕をもたらしました。

このカメラは、純粋な光学ズームではなく、その解像度を最大限に活用してセンサーから画像を単純に切り取ることで、画像のサイズを変更したり、拡大縮小したり補間したりするのではなく、最終的な画像がユーザーが希望するズーム レベルに一致するようにしました。

結果の画像は、かなりのトリミングを適用した後でも、非常に使いやすい解像度でした。

同じ問題を解決するもう一つの初期の方法は、コンパクトカメラの古典的なズーム機構を借用することでした。2013年に発売されたSamsung Galaxy S4 Zoomのようなデバイスには、レンズがカメラ本体から伸縮し、レンズ要素の位置を変えることで光学ズームを拡大できるカメラシステムが搭載されていました。

このシステムは、ごく一般的な16メガピクセルセンサーで10倍光学ズームを実現し、スペースの問題は解決しましたが、見た目の美しさは犠牲になっていました。消費者が求めていたのは、スマートフォンの機能を備えたコンパクトカメラではなく、より薄型のスマートフォンだったのです。

この方法でスペースを確保することは成功しましたが、消費者にとって使いやすい方法ではありませんでした。ベンダーに必要なのは、デバイスの外観を損なうことなくスペースを管理する方法を開発することでした。

潜望鏡レンズの登場

「ペリスコープレンズ」または「フォールディングレンズ」と呼ばれるこのレンズは、光の反射を利用することで、限られた空間内でレンズが作り出せる空間を拡大するという発想です。これは潜水艦の潜望鏡に使われている原理に似ていますが、スマートフォンの光の進路を変えることのみを目的としています。

カメラセンサーをスマートフォンの背面に直接配置するのではなく、スマートフォンの厚みというわずかなスペースにセンサーを横向きに配置するというアイデアです。メーカーはスマートフォン全体の厚さについては大きな変更はできませんが、内部コンポーネントを調整することで、カメラセンサーが利用できる横方向の内部スペースを増やすことができます。

通常通り、レンズはカメラセンサーの前に配置されますが、その後、ミラーまたはプリズムを使用して光をスマートフォンの背面にある開口部に導きます。つまり、カメラは反射の力を利用して、角の向こう側から画像を撮影していることになります。

このシステムはセンサーと反射素子の間に空間を生成できるため、スマートフォンのカメラで通常使用されるよりも多様なレンズ素子を自由に使用できます。さらに、素子間の距離を幅広く設定できるスペースも確保できるため、設計者はより最適なレンズアセンブリと配置を設計できます。

レンズ要素間には十分なスペースがあるため、部品メーカーはレンズ要素を移動させる機能を組み込むことも可能かもしれません。これにより、レンズはカメラの焦点位置をより細かく制御できるようになり、より高い倍率を実現できる可能性があります。

これは、デジタル一眼レフカメラやミラーレスカメラのズームレンズに似ています。多くの場合、焦点距離を変えるとレンズ自体の長さが変わり、レンズの鏡筒が伸びて、様々な要素の間隔が広がります。

潜望鏡レンズは、利用可能なスペースの制限内で同様の機能を実現できます。

初期の商業化

ペリスコープカメラを搭載したスマートフォンを提供するのはアップルが初めてではないことは確かだ。競合他社のいくつかは既にこの技術を採用したモデルを出荷している。

ファーウェイは、ペリスコープカメラシステムを採用したフラッグシップスマートフォンをいち早く市場に投入した企業の一つであり、P30 Proにはスーパーズームレンズを搭載していました。このレンズは、ファーウェイが謳う10倍ハイブリッドズームに加え、最大50倍ズームでの撮影も可能と謳っていました。

しかし、Huaweiのこのアイデアの実現は完璧ではありませんでした。まず、40メガピクセルの広角カメラセンサーと20メガピクセルの超広角カメラセンサーが搭載されていたものの、折りたたみ式カメラに使用されたセンサーの解像度はわずか8メガピクセルでした。

小型センサーは光学ズームの恩恵を受けていましたが、その倍率は最大5倍でした。10倍のハイブリッドズームを実現するために、Huaweiは8MPペリスコープカメラの画像と40MPセンサーから切り取った画像を合成し、非常に精細な10倍画像を作成しました。

50 倍ズームは、アルゴリズムの改善によってサポートされた、切り取りや画像拡大などのより多くのデジタル ズーム技術に依存していました。

Appleの主なライバルであるSamsungは、2020年2月にGalaxy S20 Ultraで独自のバージョンを発表した。「Space Zoom」と呼ばれるこのペリスコープレンズシステムは、より高画質の48メガピクセルセンサーと組み合わされている。

今回、このシステムでは、4 倍光学ズーム、センサー クロッピングやピクセル ビニングなどの技術を使用した 10 倍「ロスレス ハイブリッド光学」ズーム、および 100 倍ズーム機能のためのより一般的なデジタル ズーム技術が可能になりました。

この 2 つのリリースでは、ペリスコープ スタイルのレンズ システムを使用する可能性を示しました。このシステムでは、デバイスの外観を犠牲にすることなく、通常のスマートフォンで可能な範囲よりもはるかに優れた光学ズームを実現しています。

iPhoneのズームが改良されましたか?

今のところ、Apple は次回の iPhone 発売時にペリスコープ ズームを一切搭載しないようですが、それほど長く待つ必要はないかもしれません。

アナリストのミンチー・クオ氏は2020年11月に、Appleが2022年のiPhoneでこのようなシステムを搭載する可能性があるとレポートで示唆しました。しかし、2021年3月にクオ氏は予測を修正し、2023年にデビューすると発表しました。

アナリストの推測とは別に、Appleが将来のiPhoneに潜望鏡レンズカメラを搭載するための準備を進めていると主張する報道もある。

2020年11月、Appleが将来のiPhoneモデル向けに「折りたたみ式カメラ」のサプライヤーを探していると報じられました。これは、ズーム機能を備えたトリプルカメラ構成の一部となると言われていました。

2020年12月までに、Appleの既存のカメラパートナーであるLG InnoTekが、折りたたみ式カメラモジュールの製造にあたり、アクチュエータとレンズの提供をSamsungに委託する可能性があるとの報道が出てきました。これらのモジュールは、将来のiPhoneモデルに搭載される予定です。

当然のことながら、Appleはこの分野で複数の特許を出願しています。2021年1月に明らかになった特許の中には、アクチュエータを用いて折りたたみ式カメラシステム内のレンズ要素を動かすという内容のものが含まれ、光学式手ぶれ補正とオートフォーカス機能を実現する可能性を示唆するものもありました。

もちろん、この研究開発が必ずしもiPhoneに採用されるとは限りませんが、このシステムの応用としては極めて明白なようです。この技術が他の用途に活用される可能性は十分にあります。

Appleが独自の自動運転車を設計・製造するという噂が絶えないプロジェクト「Apple Car」では、自動運転の映像システムを駆動するためにペリスコープレンズが使用される可能性がある。カメラとレンズシステムの構築方法を制御する能力があれば、Appleは車体内部に容易に隠蔽できる映像センサーアレイを開発できる可能性がある。

あらゆる兆候は、Appleが将来何らかの形でペリスコープレンズを採用することを示唆している。Appleがいつ決断を下し、このコンポーネントを搭載するのか、そしてこの技術をどこまで推し進めることができるのかは、今後の展開にかかっている。

ズーム機能の向上とコンピュテーショナルフォトグラフィーの進歩により、ペリスコープカメラレンズは iPhone の写真技術を新たな高みに押し上げる可能性がある。