Od pomysłu do przemysłu
Zaprezentowany system FluidFocus mierzył 3 mm średnicy i 2,2 mm grubości. Zakres ogniskowych, na którym urządzenie ustawiało ostrość, mógł się zmieniać od pięciu centymetrów do nieskończoności. Sama operacja zmiany ostrości jest wyjątkowo szybka i nie przekracza 10 milisekund. Sterowanie urządzeniem odbywa się za pomocą prądu stałego i co ważne, obiektyw praktycznie nie pobiera energii elektrycznej z zewnątrz. Dzieje się tak dlatego, że do kierowania ciekłą soczewką wykorzystywany jest ładunek pojemnościowy zgromadzony uprzednio na ściankach rurki, w której zamknięto obie ciecze.
Według Philipsa niezawodność zaprezentowanego układu optycznego jest bardzo wysoka i wynosi ona ponad milion operacji ogniskowania bez straty optycznych właściwości ciekłej soczewki. Pod względem mechanicznym, ze względu na brak ruchomych elementów, system FluidFocus cechuje się również wysoką trwałością i odpornością na szeroki zakres temperatur. Dzięki swoim właściwościom i niewielkim gabarytom znajdzie on zastosowanie we wszelkiego typu przenośnych urządzeniach takich jak telefony komórkowe z wbudowanym aparatem fotograficznym, w cyfrakach, napędach CD/DVD-ROM oraz sprzęcie medycznym i laboratoryjnym. Niestety, na razie nic nie wiadomo o jakości rejestrowanych obrazów.
Na dwie warstwy
Obiektyw wykorzystujący technologie FluidFocus składa się z dwóch warstw niemieszających się ze sobą cieczy o różnym współczynniku załamania światła. Pierwsza z nich to przewodzący prąd elektryczny wodny roztwór kilku łatwo rozpuszczalnych substancji organicznych. Druga zaś to nieprzewodzący prądu, przezroczysty dla światła olej. Obie substancje zamknięte zostały w niewielkiej cienkościennej rurce, przykrytej z każdej strony dwoma przezroczystymi wieczkami. Powierzchnia jednego z nich – ta, która styka się z cieczą nieprzewodzącą – została wyszlifowana w taki sposób, że tworzy lekki łuk (sferę o dużym promieniu krzywizny).
Zarówno ścianki rurki, jak i sferyczna pokrywka powleczone zostały substancją hydrofobową, czyli taką, która “odstrasza” wodę. Dzięki temu wodny roztwór nie przylega do ścianek i sam z siebie tworzy menisk (powierzchnię rozdzielającą dwie warstwy cieczy) o promieniu odpowiadającym wyszlifowanej powierzchni wieczka.
Zmienna ogniskowa
Jak wiadomo z lekcji fizyki, równoległe promienie światła, przechodząc przez zakrzywioną powierzchnię, rozdzielającą dwie substancje o odmiennym współczynniku załamania światła (np. powietrze i szkło), ulegają ugięciu pod różnymi kątami. Kąt odchylenia jest tym większy, im promień światła znajduje się dalej od optycznego środka soczewki. Promienie odchylone pod różnymi kątami zbiegają się zaś w jednym punkcie nazywanym ogniskiem.
Modyfikując zakrzywienie powierzchni, można zatem zogniskować padające na obiektyw promienie światła w różnych punktach – uzyskując dzięki temu płynną regulację ostrości rejestrowanego obrazu. Tradycyjna, szklana soczewka wyklucza zmiany ogniskowych poprzez zmiany promienia krzywizny soczewki np. w trakcie robienia zdjęć – wszak w gotowym obiektywie nie da się co chwilę przeszlifowywać podzespołów. Z tego powodu, jak zapewne wszyscy wiedzą, w aparatach fotograficznych, lunetach, lornetkach i innych urządzeniach optycznych zmiany ogniskowej, a więc ostrości obrazu, uzyskuje się dzięki przesuwaniu w tył lub w przód jednej lub kilku soczewek w obiektywie.
Precyzyjne ustawienie ostrości wymaga zastosowania dokładnego mechanizmu pozycjonującego soczewki. Konstrukcja taka podnosi więc koszty produkcji obiektywu. Ponadto jest też potrzebny stosunkowo długi czas na zmianę ostrości. W najszybszych współczesnych aparatach fotograficznych odbywa się to w dziesiątych częściach sekundy.
Bez części mechanicznych
Inżynierowie z Philipsa w swojej soczewce cieczowej wrócili do najprostszego sposobu ustawiania ostrości, a mianowicie zmiany promienia krzywizny. Niejako przy okazji zbudowany przez nich obiektyw pozbawiony został wszystkich części mechanicznych! W soczewce FluidFocus do zmiany zakrzywienia powierzchni rozdzielającej dwie ciecze konstruktorzy posłużyli się polem elektrycznym. Po przyłożeniu pola elektrycznego do rurki oddziałuje ono na hydrofobowe pokrycie – pod jego wpływem zmienia się współczynnik hydrofobowości.
Przedstawione zjawisko nosi nazwę elektrozwilżania (ang. electrowetting) i jest rezultatem indukowanych elektrycznie zmian napięcia powierzchniowego pomiędzy przewodzącym wodnym roztworem a substancją hydrofobową. Innymi słowy, ciecz staje się dla ścianek rurki bardziej mokra. Dzięki temu zjawisku modyfikowana jest też krzywizna sferycznej płaszczyzny rozdzielającej dwa płyny (tzw. powierzchnia międzyfazowa), z których zbudowana jest soczewka cieczowa.
Przykładając odpowiednie natężenie pola elektrycznego, można więc płynnie sterować zakrzywieniem powierzchni międzyfazowej – począwszy od płaskiego menisku (soczewka wówczas nie działa) do łuku wymuszonego hydrofobowym pokryciem ścianek obiektywu. Regulacja ostrości w takim układzie jest wyjątkowo płynna i szybka.
Soczewka nie tylko dla lekarza
Pierwszą dziedziną, w której zastosowany zostanie system FluidFocus, jest medycyna. Na bazie ciekłej soczewki skonstruowany został już bowiem endoskop. Przedstawiciele firmy Philips zapowiadają, że wkrótce na rynku pojawią się cyfrowe aparaty fotograficzne z ciekłymi soczewkami. Obecnie trwają również prace nad obiektywami wykorzystującymi jednocześnie kilka ciekłych soczewek, tak aby można było nie tylko zmieniać ostrość rejestrowanego obrazu, ale również przybliżać i oddalać kadr (zoom).
