El gran reto de diseñar una óptica fotográfica en miniatura para un teléfono móvil: visitamos el laboratorio de ZEISS y vivo

La compañía alemana ZEISS es objetivamente uno de los fabricantes de sistemas ópticos más relevantes del mundo. Su periplo en el mundo de la fotografía arrancó en el ya muy lejano 1890. Pero esta marca no produce únicamente objetivos para cámaras de fotos. También diseña y fabrica bloques ópticos para cámaras de cine, telescopios, microscopios, proyectores para planetarios. Asimismo, los equipos fotolitográficos involucrados en la fabricación de semiconductores.

Más de 130 años de experiencia en la puesta a punto de ópticas dan para mucho. El conocimiento que ZEISS ha acumulado durante este tiempo. Ha contribuido decisivamente a colocar esta compañía en la solvente posición en la que se encuentra actualmente. Y, además, ha provocado que otras empresas confíen en ella. Para abordar con más posibilidades de éxito los desafíos que implican el diseño y la puesta a punto de las ópticas de sus productos.

Además…

Una de las compañías que se han aliado con ZEISS es el fabricante de smartphones chino vivo. La alianza que han pactado ambas empresas se ha materializado en varios teléfonos móviles que tienen unas aspiraciones fotográficas muy marcadas. De hecho, el modelo X60 Pro nos dejó un sabor de boca fantástico durante el análisis que llevamos a cabo hace poco más de un mes.

ZEISS no se encarga de fabricar las ópticas de los teléfonos móviles de vivo; se responsabiliza de algo, si cabe, aún más importante. Las analiza a fondo en sus propios laboratorios en Alemania y las somete a una batería de tests muy rigurosa que persigue sacar a relucir todos aquellos apartados en los que tienen margen de mejora. Y también comprobar si satisfacen los estándares de calidad definidos por esta marca germana.

Después, los expertos en óptica de ZEISS elaboran un informe con recomendaciones que son posteriormente sopesadas por los ingenieros de vivo. Para estudiar su posible implementación en los nuevos teléfonos móviles de la marca china.

En definitiva…

Lo que persigue esta alianza es poner a disposición de vivo el bagaje y la pericia que ha adquirido ZEISS a lo largo de más de un siglo de experiencia diseñando y fabricando bloques ópticos para cámaras de fotos.

Recientemente hemos tenido la oportunidad de visitar el laboratorio de óptica que tiene esta compañía en el mismo edificio en el que reside su sede principal. Está situada en la localidad alemana de Oberkochen, a poco más de 180 km de Múnich. Y esta pequeña aventura, como estáis a punto de descubrir, mereció mucho la pena.

Estos son los desafíos que implica diseñar una óptica de calidad para un móvil: diseñar una óptica fotográfica

Durante nuestra visita al laboratorio de óptica de ZEISS tuvimos la ocasión de hablar con expertos tanto de esta compañía como de vivo. Por lo que no dejamos escapar la oportunidad de preguntarles acerca del rol que tiene la óptica de las cámaras de nuestros smartphones en la calidad global que nos entregan las fotografías que tomamos con ellos.

Además…

Diseñar una óptica fotográfica: Aunque pudimos hablar con varios expertos de ambas compañías las respuestas en las que estamos a punto de indagar nos las dio Sebastian Doentgen. Es uno de los máximos responsables de electrónica de consumo en ZEISS.

Sebastian nos explica cuáles son los retos que se ven obligados a resolver durante la puesta a punto del bloque óptico de cada una de las cámaras de un teléfono móvil: «El mayor desafío al que nos enfrentamos consiste en encontrar el equilibrio perfecto entre los componentes. Las tecnologías y el procesado de la imagen. Solo seleccionando la óptica, la electrónica y los algoritmos óptimos podremos obtener los mejores resultados en nuestras fotografías».

No obstante, esta es solo la punta del iceberg. Este experto también apunta lo siguiente: «Si los componentes involucrados en el proceso fotográfico a los que la óptica entrega la luz no tienen su mismo nivel de calidad y no son capaces de recoger toda la información que los elementos ópticos han recabado, quedará infrautilizada. Esta es la razón por la que es tan importante que todos los componentes estén bien emparejados. Que haya una sinergia óptima entre ellos».

Lo que nos explica Sebastian tiene sentido. Pero no cabe duda de que el poco espacio disponible dentro del recinto de un móvil para recoger la óptica de las cámaras no se lo pone precisamente fácil a los ingenieros de vivo y ZEISS. Efectivamente, este técnico confirmó así nuestras sospechas:

Diseñar una óptica fotográfica: «La necesidad de miniaturizar la óptica de las cámaras de los teléfonos móviles condiciona seriamente la elección del material utilizado en la fabricación de los elementos ópticos. Pero, por otro lado, el uso de lentes de plástico hace posibles diseños ópticos muy innovadores. Además, tienen un coste muy bajo», puntualiza Doentgen.

«Si nos ceñimos a la óptica lineal tradicional de los smartphones su longitud es, definitivamente, un factor limitante. Y lo es debido a que solo puedes apilar una cantidad limitada de lentes. En el futuro es posible que consigamos introducir hasta 8, o, incluso, 10 elementos. Pero dado lo limitado que es el espacio disponible en el interior de los teléfonos móviles no estoy seguro de que sea posible introducir más elementos en la óptica».

«No obstante, gracias al desarrollo de los objetivos periscópicos las reglas del juego han cambiado completamente porque la limitación de espacio vertical ha desaparecido. En la dimensión horizontal el espacio no está tan limitado como en la vertical. De modo que tenemos la posibilidad de apilar muchos más elementos ópticos. Será interesante comprobar cómo se aprovechará este potencial en el futuro», vaticina Sebastian con satisfacción.

La aberración cromática es el enemigo número 1 de las ópticas

Un objetivo de calidad debe ser capaz de entregar al sensor la máxima cantidad de luz posible, y, a la par. También tiene que introducir un nivel de distorsión geométrica y de aberración cromática mínimo. Sebastian nos explica qué retos conlleva minimizar y corregir estas deficiencias vinculadas a la óptica:

Diseñar una óptica fotográfica: «La corrección de la distorsión normalmente no representa un problema en el contexto de la óptica de los smartphones. Aunque el hardware óptico introduzca una distorsión residual importante puede ser corregida por el software de una forma muy convincente. Sin embargo, el control de las aberraciones cromáticas representa un desafío mucho mayor debido a las limitadas opciones que tenemos a nuestra disposición a la hora de elegir el tipo de plástico que vamos a utilizar en la fabricación de las lentes».

Además…

«Cuando diseñamos una óptica para una cámara de fotos convencional podemos emparejar varias lentes bajo la forma de un único elemento óptico con el propósito de controlar y corregir las aberraciones cromáticas, pero esto no podemos hacerlo cuando esa óptica está destinada a un teléfono móvil debido a las limitaciones que impone el proceso de fabricación», defiende este experto.

«En cualquier caso, la corrección de las aberraciones cromáticas nunca es fácil. Ni siquiera en las cámaras de fotos convencionales. Y, aun así, estamos ideando estrategias que nos permiten recrear con mucha precisión el color en las ópticas de los smartphones», nos explica Sebastian en un claro intento de reconocer lo difícil que es minimizar el impacto que la aberración cromática puede tener en la calidad de imagen global de nuestras fotos.

Los sensores de más de 100 megapíxeles tienen sentido más allá de su resolución

Durante los últimos dos años los usuarios hemos sido testigos de la llegada a las tiendas de un abanico amplio de smartphones equipados con un sensor que evade la barrera de los 100 megapíxeles. El Mi Note 10 de Xiaomi levantó la veda a finales de 2019 al apostar por un sensor de 108 megapíxeles como corazón de su cámara principal, pero detrás de él llegaron muchos más terminales que también nos han propuesto una apuesta similar. Este experto de ZEISS nos explica si tienen o no sentido estos sensores dado lo diminutos que son sus fotodiodos:

«La resolución máxima teórica de un sistema óptico está determinada por la resolución óptica del objetivo y la resolución del sensor. Si, por ejemplo, tenemos un captador con fotodiodos de 0,8 µm necesitaremos una óptica con valor de apertura f/1.2 para sacar el máximo partido posible a su resolución. Y si el sensor incorpora fotorreceptores de 0,5 µm precisaremos una óptica con valor de apertura f/0.75 para explorar todo su potencial».

Además…

«No es nada fácil diseñar una óptica luminosa y que, por tanto, tenga un valor de apertura considerable (lo que conlleva un número f más bajo). Los sensores de alta resolución, como el de 108 megapíxeles que mencionas, tienen fotodiodos muy pequeños. Por lo que su interés no es tanto obtener imágenes de alta resolución (habitualmente suelen tener un tamaño de entre 12 y 16 megapíxeles) como utilizar las ventajas derivadas de la posibilidad de combinar varios fotorreceptores», nos aclara Doentgen.

«La tecnología pixel binning, que es como se llama esta técnica, nos permite obtener imágenes HDR de alto rango dinámico con un único disparo. Pero esta no es su única función. También podemos utilizarla, por ejemplo, para reducir de una forma eficaz el ruido de color (está constituido por píxeles de color aleatorio alojados habitualmente en los espacios en sombra). Además, estas bazas pueden implementarse incluso aunque el bloque óptico no soporte la resolución máxima del sensor», nos asegura Sebastian con convicción.

No está claro cómo serán las ópticas de los móviles en el futuro, pero ilusionan

Antes de poner fin a nuestra conversación pedí a este técnico que hiciese un ejercicio de previsión e intentase darnos alguna pista acerca de las mejoras que incorporarán las ópticas de los teléfonos móviles que podremos comprar en aproximadamente cinco años.

Por razones de confidencialidad no pude tomar fotografías en el interior del laboratorio de óptica de ZEISS. Pero pude percatarme de que algunos ingenieros estaban trabajando en innovaciones que presumiblemente llegarán a nuestros smartphones (al menos algunas de ellas) durante los próximos años. Esto es lo que nos cuenta Sebastian:

«Es muy complicado prever qué nuevas características tendrán las ópticas de los teléfonos móviles dentro de cinco años. Si echamos la vista atrás y retrocedemos en el tiempo cinco años probablemente no sospecharíamos que hoy en día tendríamos módulos con cuatro cámaras y sensores de 100, incluso, 200 megapíxeles. Actualmente en los laboratorios de investigación estamos trabajando con materiales muy prometedores y tecnologías muy interesantes. Pero es difícil anticipar cuáles de estas innovaciones acabarán siendo integradas en un producto comercial».

Diseñar una óptica fotográfica: «Las lentes líquidas ejemplifican a la perfección este escenario. Empezó a hablarse de ellas en 2005. En ese momento parecían dar forma a una tecnología revolucionaria que estaría lista para su desembarco comercial en un año, o, a lo sumo, dos. Estamos en 2021 y todavía continuamos esperando que esta innovación que en su día parecía tan disruptiva nos demuestre cuál es su verdadero potencial». Sentencia Sebastian sin esforzarse lo más mínimo para disimular su razonable escepticismo.