Tekočinske leče - Večnamenska kapljica

Xiaomi je napovedal, da bo imel prihajajoči pametni telefon kamero s tekočinsko lečo, s čimer je za nekaj mesecev prehitel Huawei. Tehnologija obljublja veliko, tako z vidika zmogljivosti kakor cene. Pravzaprav pa sploh ni nova, saj jo na drugih področjih poznamo že desetletja, v pametne telefone pa se kljub patentom in napovedim iz Samsunga sramežljivo prebija že drugo desetletje. Zdaj je tu.

Objektivi so v zadnjih letih močno napredovali in v današnjih pametnih telefonih najdemo več kot spodobne fotoaparate. Predvsem jih najdemo več, saj fizika preprečuje, da bi eno samo kamero lahko uporabljajo za bistveno različne namene. Nobena redkost niso telefoni s tremi kameri na zadnji strani, saj imajo širokokotni ali telefoto objektiv.

Kitajski proizvajalec telefonov Xiaomi v seriji Mix rad eksperimentira z novimi funkcijami in tehnologijami. V najnovejšem telefonu Xiaomi Mi Mix Fold je presenetil z najavo, da gre za prvi telefon, ki uporablja tekočinske leče (liquid lens). Xiaomi namreč obljublja, da bo odslej mogoče z eno samo kamero fotografirati tako v telefoto kakor v makro načinu. Sama tehnologija resda ni nova, tovrstna uporaba v telefonih pač.

Zamisel je preprosta. Klasične leče so trdne, zato točko ostrenja spreminjamo s spreminjanjem razdalje med lečo ali lečami in tipalom za zajem slike. Toda to ni edina možnost. Že leče v očeh sesalcev niso rigidne strukture, temveč jih napenjajo očesne mišice in s spreminjanjem ukrivljenosti prilagajajo goriščno razdaljo. V telefon sicer ne moremo namestiti mišic, lahko pa na podoben način spreminjamo ukrivljenost fleksibilne leče. Še zlasti, če je tekoča.

Xiaomi je o tekočinski leči razen izrisa razkril bore malo.

Kako delujejo

Tekočinske leče so se doslej večinoma uporabljale v industriji, kadar bi se zaradi obremenitev klasične mehanične prehitro obrabile. Drugo polje uporabe so primeri, kjer so velike in hitre razlike v oddaljenosti, kar zahteva hitro spreminjanje goriščne razdalje. Na tak način lahko ena tekočinska leča nadomesti več leč v objektivu.

Glavna funkcije leče je lom svetlobe. Ta se lomi vedno, kadar prehaja med dvema medijema, ki imata različni lomni količnik. Ta je le aplikativni opis dejstva, da ima svetloba v medijih različno hitrost. Lomni količnik je razmerje med hitrostjo svetlobe v vakuumu in fazno hitrostjo v snovi. Svetlobni žarki ob prehodu med medijema spremenijo smer. To dejstvo izkoriščajo leče v objektivih, ki so oblikovane tako, da vpadlo svetlobo zberejo na tipalu, kjer se zajame.

Prednosti

+ brez mehaničnih delov

+ prilagodljivost

+ manjša velikost

+ odzivnost in hitrost

+ manjša poraba energije

Slabosti

– tehnologija še ni uveljavljena

– mogoče pronicanje tekočine

– sipanje svetlobe

Mehaničnih leč ne moremo preoblikovati, lahko jih le medsebojno premikamo. Tekočinska leča pa je v bistvu izjemno čista tekočina s primernim lomnim količnikom, ki lahko spreminja obliko mehanično ali električno. Obstajata dve vrsti tekočinskih leč: presevne (transmisijske) in odbojne (reflektivne). Zadnje uporabljajo v teleskopih namesto zrcal, in sicer so iz živega srebra, zlitin galija in podobnih kovin, ki so lahko tekoče pri nizkih temperaturah. Primerna ukrivljenost se doseže tako, da se posoda s tekočino vrti s konstantno hitrostjo, kar zaradi centripetalne sile ustvari ukrivljeno površino (oblike paraboloida), a gladko.

Presevne tekočinske leče pa bomo torej našli v telefonih. En tip izkorišča koncept električnega omakanja (electrowetting), ki je sicer znan že od konca 19. stoletja, a je šele pred 30 leti zaživel v fotografiji. Različne tekočine različno omakajo različne površine (glej okvir o omakanju), kar v praksi vidimo, ko tvorijo različno debele kapljice z različnim stičnim kotom s površino. Z električno napetostjo pa lahko omočljivost izboljšamo, saj povečamo privlak med tekočino in površino. Moderna izvedba za uporabo v kamerah se imenuje električno omakanje na dielektriku (EWOD – electrowetting-on-dielectric). Odkril ga je Bruno Berge, ki je ustanovil podjetje Varioptic.

V tej izvedbi v prosojen kanal, ki je prevlečen s hidrofobnim (vodoodbojnim) materialom, kanemo dve tekočini, ki se ne mešata. Ena izmed njiju mora biti prevodni elektrolit, denimo vodna raztopina soli, druga pa neprevodno olje. Čeprav se ne smeta mešati, saj mora med njima nastati fazna meja, pa je zaželeno, da imata čim bolj podobno gostoto in temperaturni razteznostni koeficient. Ob straneh na zunanji strani kanala je prevodnik. Ko na njem ni naboja, se tekočini postavita tako, da je vodna faza čim manj v stiku s hidrofobno površino. Z enosmerno napetostjo, ki jo pritisnemo med oba konca kanala, pa povečamo privlačnost med vodo in površino. To povzroči spremembo ukrivljenosti fazne meje med tekočinama. Leča je s tem spremenila goriščno razdaljo.

V tekočinskih lečah uporabljamo dve tekočini, ki v odvisnosti od električne napetosti spreminjata obliko medfazne meje. Slika: Opticsmag.com

Druga izvedba tekočinskih leč uporablja polimerno membrano, v katero je ujeta optična tekočina. Obliko membrane in s tem ukrivljenost leče spreminjamo s silo, ki jo ustvari aktuator. Tega krmilimo z električnim tokom, zato so potrebne napetosti že zelo nizke. Te leče ne spreminjajo polarizacije, imajo zelo nizko kromatično aberacijo (popačitev, ker se svetloba različnih valovnih dolžin različno lomi).

Tekočinske leče lahko uporabljajo tudi aktuator, ki fizično povzroči spremembo ukrivljenosti. Slika: Opticsmag.com

Obstaja še tretja različica, kjer uporabljajo tekoče kristale. Te molekule so odzivne na električno napetost, in sicer spreminjajo orientacijo oziroma urejenost, s tem pa tudi optične lastnosti. To izkoriščajo zasloni s tekočimi kristali (LCD), lahko pa na enak način proizvedemo tudi lečo, če med dve stekleni površini ujamemo tanek sloj tekočih kristalov, potem pa ga krmilimo z električno napetostjo.

Tekoči kristali spreminjajo urejenost z električnim poljem, zato lahko služijo kot optične leče. Slika: Hung-Chun Lin in Yi-Hsin Lin

Kaj ponujajo

Glavna prednost je seveda večnamenskost, saj nenadoma nismo več omejeni s statičnimi mehaničnimi lečami, temveč lahko z veliko natančnostjo spreminjamo ukrivljenost, s tem pa točko ostrenja oziroma goriščno razdaljo. Namesto okornih objektivov, v katerih je bilo več leč, katerih medsebojno razdaljo smo morali spreminjati, zadostuje ena sama leča. To pomeni, da je optični sistem lahko precej manjši, kar je v telefonih še posebej dragoceno.

Druga prednost je odzivnost. Potrebna energija za spremembo goriščne razdalje je zelo majhna, manjša kot pri mehaničnem premikanju. Predvsem pa se to zgodi hitreje in tudi večkrat. Po podatkih proizvajalcev (ki so seveda malo pristranski) naj bi imele tekočinske leče petkrat daljšo življenjsko dobo od objektivov. Odsotnost mehaničnih delov pomeni, da je manj možnosti za okvaro. Hitrost pa pomeni, da je mogoče z isto lečo najprej slikati predmet v bližini, le drobec sekunde kasneje pa še ozadje, ne da bi se kader v tem času bistveno spremenil.

Dobrodošla lastnost je tudi večja odpornost na tresenje. V prejšnji številki smo pisali o mehanizmih za spopadanje s tresenjem rok, kjer lahko stabilizacijo slike izvajamo optično ali elektronsko. Tekočinske leče so bolj odporne na ta problem, ker niso rigidno vpete v ohišje. Ker so v bistvu plavajoč objekt, so manj občutljive na tresljaje (imajo nekaj lastne vztrajnosti), kar prinaša nekaj optične stabilizacije slike same po sebi.

Omakanje

Kadar pride kapljevina v stik s trdno površino, se razleze v večje ali manjše, tanjše ali debelejše kapljice. Ključno vlogo imajo sile med delci kapljevine in površine ter medsebojne sile med delci kapljevine. Če so prve močnejše, se bo kapljica bolj razlezla po površini, v nasprotnem primeru pa bo poskušala obdržati čim bolj okroglo obliko s čim manjšim stikom s površino.

Primere poznamo iz vsakdanjega življenja. Povoščene ali mastne površine so izrazito hidrofobne, saj odbijajo vodo. Kapljice na površini bodo debelejše in skoraj kroglaste oblike. Čisto steklo pa voda dobro omaka, zato se fino v tankih plasteh razleze po površini.

Stični kót ali kót omočitve je med 0°(popolno omakanje) in 180° (brez omakanja). Izračunamo ga iz površinske energije trdne snovi, površinske napetosti kapljevine in medfazne napetosti. To je v bistvu fizikalni opis jakosti interakcij med delci trdnine in kapljevine.

Kapljevine, ki sicer ne omakajo dobro površine, pa lahko z električnim poljem prisilimo, da se bolj razlezejo po površini. Za električno omakanje (electrowetting) potrebujemo tekoči elektrolit, ki ima nosilce naboja, neprevodno površino in pod njo substrat. Zaradi pritisnjene električne napetosti med elektrolit in substrat se na njiju nabere nasprotni naboj, ki ustvari električno polje. Nasprotni naboj med substratom in elektrolitom se privlači, zato se kapljica elektrolita razleze po večji površini, kot bi se sicer. Stični kót se zmanjša oziroma omakanje se izboljša. Ta koncept uporabljajo tekočinske leče.

Z napetostjo lahko spremenimo stični kót med kapljico in površino. Slika: Opticsmag.com

Tekočinske leče imajo tudi nekaj slabosti, kjer je trenutni glavni problem neuveljavljenost tehnologije pri pametnih telefonih. Preprosto ne vemo, kako se bo obnesla dolgoročno. Če moremo sklepati iz njene uporabe drugod, so lahko težave zlasti s pronicanjem tekočine in z neželenim sipanjem svetlobe.

Kje jih še najdemo

V pametne telefone šele prihajajo, na nekaterih drugih področjih pa se tekočinske leče že dlje časa rutinsko uporabljajo. Na tekočih trakovih je čedalje pomembnejši računalniški vid, da ni treba vsega nadzornega dela opravljati ljudem. Tekočinske leče so koristne, ko je treba brati z različnih razdalj, denimo pri sortiranju paketov, branju črtnih kod, avtomatizaciji, nadzoru kakovosti ipd.

V znanosti se pri mikroskopiranju uporablja tehnika pomika izostritve, kjer se isti vzorec posname z več različnimi točkami ostrenja, potem pa se v poprodukciji ustvari en zlit posnetek (focus stacking) s povečano globinsko ostrino. To znajo tudi že nekateri fotoaparati, a pri mikroskopiranju je funkcija res pomembna. S tekočinskimi lečami jo je mogoče bistveno poenostaviti, saj potrebujemo le eno lečo pa še hitreje gre. Uporabljajo se še druge, denimo v fotoaparatih, dronih za mapiranje ipd.

Kaj ima Xiaomi Mi Mix Fold

Da so tekočinske leče res še zelo eksperimentalna tehnologija v pametnih telefonih, pričajo tri kamere. Glavna je »klasična« širokokotna (f/1.8) s tipalom s 108 milijoni točk, ultraširokokotna (f/2.4) ima tipalo s 13 milijoni točk, tretja pa je šele tista s tekočinsko lečo (telefoto/makro). To zanj proizvaja kitajsko podjetje Ofilm, ki ga je v preteklosti hvalil tudi Apple.

Mi Mix Fold, ki je med drugim preklopni telefon, bo imel kamero s tekočinsko lečo (imenujejo jo bionic), ki bo zmogla 3-kratni optični zoom in 30-kratni hibridni zoom (optični in digitalni) ter tudi fotografiranje v makro načinu (do 3 cm). Xiaomi obljublja, da leča deluje pri temperaturah med –40 °C in 60 °C. Informacije s tipal bo obdeloval lastni procesor Surge C1 (že leta 2017 so v Mi 5c uporabili Surge S1).

Xiaomi je bil resda prvi, gotovo pa ne bo edini. Huawei je bil že konec lanskega leta v zadnjih fazah testiranja svojih tekočinskih leč. Novi model P50, ki bo izšel letos, jih bo po neuradnih informacijah že imel.

Čeprav bo to pot očitno šlo zares, se spomnimo Samsungove napovedi iz leta 2005. Že tedaj so napovedali, da bodo v sodelovanju s podjetjem Varioptic konec leta izdali telefon s kamero s tekočinsko lečo. Zgodilo se ni nič. Od leta 2010 so pridobili tudi več s tekočinskimi lečami povezanih patentov, a komercialnih izdelkov ni bilo. Podobno velja za Apple. Morda zdaj Xiaomi in Huawei prepričata tudi konkurenco.

Za zdaj smo si lahko tekočinske leče ogledali teoretično, saj ni nobenih informacij, da bi se telefon prodajal tudi na Zahodu. Naprodaj je izključno na Kitajskem. Ko ga dobimo v roke, pa sledi tudi praktični preizkus.