Мгновенный фокус: Как электроника управляет формой капли жидкости, заменяя громоздкие стеклянные линзы

В традиционной оптике изменение фокуса камеры требует механического сдвига массивных стеклянных линз. Этот процесс медленный, энергозатратный, а его механические компоненты обладают ограниченным рабочим ресурсом. Разработчики ищут альтернативу, которая бы работала так же быстро, как человеческий глаз.

Решение найдено в области жидкостных линз — оптических систем без движущихся частей, где фокус меняется за счёт электрического управления формой капли.

Принцип работы: Электросмачивание

Жидкие линзы — это оптические элементы, в которых фокусировка достигается за счёт управляемого изменения формы жидкой среды. В отличие от традиционных стеклянных линз, где фокус меняется перемещением твёрдых компонентов, жидкие линзы используют естественные свойства жидкостей — текучесть, поверхностное натяжение и реакцию на электрические поля. Такой подход обеспечивает компактность, высокую скорость перестройки и отсутствие механического износа.

В основе конструкции обычно находится капля прозрачной жидкости, окружённая другой жидкостью или помещённая в миниатюрную камеру. Кривизна границы между оптически прозрачными средами определяет фокусное расстояние линзы, а её управляемое изменение позволяет плавно и быстро наводить резкость.

Электросмачиваемые линзы с электролитом

В классических электросмачиваемых системах оптическая поверхность формируется границей капли электролита, лежащей на диэлектрическом слое, нанесённом на проводящую подложку. Форма капли в таком случае определяется краевым углом смачивания — геометрическим параметром, зависящим от поверхностного натяжения на границе «твёрдое тело — жидкость».

При подаче напряжения структура «электрод — диэлектрик — электролит» начинает работать как конденсатор. В систему добавляется электрическая энергия, в результате чего эффективное поверхностное натяжение уменьшается, краевой угол снижается, и капля расплющивается. Изменение формы происходит за миллисекунды, что делает электросмачивание одним из самых быстрых способов перестройки оптической силы без механики.

Двухжидкостные электросмачиваемые линзы

В практических и коммерческих устройствах чаще используются двухжидкостные электросмачиваемые линзы. В них оптическую поверхность образует граница между двумя несмешивающимися жидкостями — как правило, водной фазой (электропроводящей) и масляной фазой (изолирующей), имеющими разные показатели преломления.

Под действием электрического поля изменяется форма границы между жидкостями, а не форма открытой капли. Такой подход обеспечивает лучшую оптическую стабильность, уменьшает испарение и повышает долговечность устройства. Именно эта архитектура легла в основу большинства промышленных жидкостных линз.

История и ключевые разработки

Современное практическое применение электросмачивания в оптике началось в конце XX — начале XXI века. Ключевым этапом стала работа французского физика Брюно Берже, который в 2002 году основал компанию Varioptic. Он одним из первых показал, что эффект электросмачивания можно использовать для создания надёжных и воспроизводимых линз с переменным фокусным расстоянием. Varioptic разработала линейку жидкостных линз для систем машинного зрения, промышленной инспекции и медицины.

В 2017 году компания была приобретена корпорацией Corning, после чего технология получила промышленный масштаб и интеграцию в высоконагруженные оптические модули. Архитектура многофазных электросмачиваемых линз закреплена в ряде патентов, включая US7780874B2, описывающий жидкостную систему и оптическое устройство с электрически управляемой кривизной.

Инженерное применение

Наиболее активно жидкостные линзы используются в сфере промышленной автоматизации и машинного зрения, где критически важна скорость и точность фокусировки. Например, компания Edmund Optics использует эту технологию в своих высокопроизводительных объективах серии TECHSPEC. В частности, модели TECHSPEC Liquid Lens M12 и Dynamic Focus VZM Lens интегрируют жидкостные линзы для создания быстрогоавтофокуса.

Это позволяет промышленным камерам мгновенно перефокусироваться на объектах, находящихся на разных расстояниях (например, при проверке компонентов на конвейере или считывании штрих-кодов) за миллисекунды, что невозможно достичь с помощью традиционных механических систем. Таким образом, жидкостные линзы обеспечивают надежность и высокую скорость инспекции, значительно повышая эффективность автоматизированных производственных линий.

В сфере медицинской визуализации жидкостные линзы решают проблему ограниченного пространства и необходимости мгновенной перефокусировки. Один из лидеров в производстве компонентов, компания Optotune, заявляет, что их технология масштабируема до размеров, позволяющих интегрировать линзу непосредственно в наконечник тонкого эндоскопа. Это позволяет реализовать сверхбыструю функцию автофокуса в гибких и капсульных эндоскопах, где механическая регулировка фокуса невозможна.

Такое внедрение позволяет врачам получать четкие изображения с высоким разрешением независимо от расстояния до исследуемых тканей (например, при гастроскопии или артроскопии), а также критически важно для оптическойкогерентной томографии (ОКТ) с регулируемым фокусом (Adjustable-Focus OCT), что значительно повышает точность диагностики и эффективность минимально инвазивных хирургических процедур.

Жидкостные линзы также используются в коммерческих продуктах. Например, смартфон Xiaomi Mi Mix Fold (2021) оснащён камерой с жидкостной линзой, что даёт быстрый автофокус, макро-съёмку с фокусировкой на ~3 см и компактный модуль без моторизованных узлов.

Вывод

Жидкостные линзы являются наглядным примером того, как физический эффект может радикально изменить подход к оптической инженерии. Управляя формой границы между жидкостями с помощью электрического напряжения, инженеры получили компактные, быстрые и долговечные системы фокусировки, которые во многих задачах превосходят классическую механику.

Это редкий случай, когда фундаментальная физика напрямую трансформировалась в массовую промышленную технологию — без компромиссов по надёжности и ресурсу.