Nguyên lý hoạt động của thấu kính lỏng và sự khác biệt so với thấu kính thông thường

Thấu kính lỏng là thiết kế ược chế tạo dựa trên nguyên lý sinh học, có những điểm tương đồng đáng kể với thủy tinh thể của mắt người. Cũng giống như mắt người sử dụng cơ vòng để điều chỉnh độ tụ quang của thủy tinh thể nhằm lấy nét, thấu kính lỏng hoạt động bằng cách bao bọc chất lỏng quang học bên trong một màng polymer đàn hồi. Khi có dòng điện chạy qua, áp suất được tạo ra bên trong hệ thống kín này, làm thay đổi độ cong của màng và từ đó điều chỉnh tiêu cự gần như tức thì.

Một kỹ thuật sản xuất thấu kính lỏng phổ biến được gọi là "điện thẩm thấu" (electrowetting). Phương pháp này sử dụng hai loại chất lỏng không trộn lẫn vào nhau – giống như dầu và nước. Khi tiếp xúc với nhau, mặt phân cách cong được hình thành giữa hai chất lỏng đóng vai trò như một phần tử quang học, hiệu quả như một thấu kính. Bằng cách cấp dòng điện, chúng ta làm thay đổi bán kính của mặt phân cách quang học này (thông qua việc tăng áp suất tĩnh điện), từ đó làm thay đổi độ cong của "thấu kính."

Hơn nữa, điện áp áp dụng càng cao sẽ tạo ra độ cong càng lớn, từ đó thay đổi trực tiếp tiêu cự của thấu kính. Đáng chú ý, các thấu kính chất lỏng (đôi khi được gọi là thấu kính điều chỉnh điện tử hoặc "thông minh") thậm chí có thể chuyển đổi giữa các cấu hình lồi và lõm. Khả năng thích ứng nhanh chóng này khiến chúng đặc biệt hữu ích trong nhiều ứng dụng khác nhau. Với khả năng lấy nét từ các vật cực kỳ gần đến vô cực chỉ trong vài mili giây, chúng rất lý tưởng cho những tình huống yêu cầu điều chỉnh khoảng cách liên tục. Ví dụ, khi kiểm tra các vật có kích thước khác nhau hoặc ở các khoảng cách khác nhau so với thấu kính, các thấu kính chất lỏng thể hiện tính linh hoạt vượt trội.

So với các thấu kính truyền thống, thấu kính chất lỏng mang lại những lợi thế nổi bật sau:

Tốc Độ Lấy Nét:

 Thấu kính chất lỏng: Đạt được khả năng lấy nét tự động nhanh với thời gian phản hồi cấp miligiây, bắt chước khả năng thích nghi của mắt người với các cảnh và khoảng cách thay đổi. Chúng vượt trội trong các ứng dụng tốc độ cao như chụp các vật thể chuyển động nhanh hoặc chụp ảnh công nghiệp trên các dây chuyền sản xuất, mang lại tỷ lệ chụp ảnh thành công gần 100%.

Ống kính thông thường: Phụ thuộc vào các bộ phận cơ học (ví dụ: động cơ và bánh răng) để di chuyển vật lý các thành phần ống kính nhằm điều chỉnh lấy nét. Tốc độ lấy nét của chúng chậm hơn tương đối, đặc biệt là trong quá trình lấy nét tự động liên tục hoặc thao tác zoom nhanh. Sự mài mòn cơ học theo thời gian có thể dẫn đến sai sót trong việc lấy nét và hiệu suất hình ảnh giảm sút.

Thiết kế cơ chế zoom:

 Thấu kính chất lỏng: Điều chỉnh tiêu cự bằng cách thay đổi hình dạng chất lỏng bên trong hoặc điều biến áp suất – không yêu cầu sự dịch chuyển vật lý của các bộ phận. Điều này cho phép phạm vi zoom rộng hơn và hỗ trợ zoom quang học độ phóng đại cao. Việc kiểm soát chính xác tiêu cự đạt được thông qua việc điều chỉnh điện áp.

 Ống kính thông thường: Sử dụng các nhóm thấu kính đa thành phần dịch chuyển cơ học dọc theo các trục quang học. Kiến trúc phức tạp này tạo ra những giới hạn về cấu trúc, làm giảm phạm vi zoom và độ chính xác đồng thời làm tăng độ phức tạp trong thiết kế.

Hiệu quả không gian:

Thấu kính chất lỏng: Có cấu trúc đơn giản hơn inherent do không cần cụm cơ khí cồng kềnh, dẫn đến kích thước nhỏ gọn đáng kể. Lợi thế này đặc biệt quan trọng đối với các thiết bị điện tử mỏng như smartphone và máy tính bảng, giúp giảm độ nhô của camera và cho phép thiết kế công nghiệp tinh tế hơn.

Ống kính thông thường: Yêu cầu không gian lớn do có nhiều thành phần quang học và hệ thống truyền động cơ học, khiến chúng không phù hợp cho các ứng dụng bị giới hạn về không gian.

Độ bền và độ tin cậy:

Thấu kính chất lỏng: Loại bỏ hoàn toàn mài mòn cơ học vì quá trình lấy nét dựa trên nguyên lý thủy động lực học. Do đó, chúng có tuổi thọ hoạt động dài hơn trong khi vẫn duy trì được sự ổn định và độ tin cậy xuyên suốt quá trình sử dụng lâu dài.

Ống kính thông thường: Chịu suy giảm cơ học không thể tránh khỏi (mài mòn, lỏng lẻo) theo thời gian, đòi hỏi bảo trì định kỳ để duy trì hiệu suất quang học và ngăn ngừa hư hỏng sớm.

Chi phí sản xuất:

Thấu kính chất lỏng: Đơn giản hóa quá trình sản xuất bằng cách loại bỏ các công đoạn gia công chính xác và lắp ráp phức tạp. Sử dụng các vật liệu kinh tế như chất lỏng quang học giúp giảm chi phí hơn nữa, đặc biệt là trong sản xuất hàng loạt.

Ống kính thông thường: Yêu cầu kỹ thuật sản xuất độ chính xác cao và vật liệu đắt tiền (thủy tinh/nhựa quang học đặc chủng). Cấu tạo phức tạp của chúng làm tăng đáng kể mức độ phức tạp và chi phí sản xuất.

Hiệu suất quang học:

Thấu kính chất lỏng: Cho phép điều chỉnh động chỉ số khúc xạ và đặc tính tán sắc trong chất lỏng quang học. Khả năng thích ứng này mang lại tính chất quang học vượt trội bao gồm khả năng truyền ánh sáng được cải thiện và độ tán sắc cực thấp, cuối cùng nâng cao chất lượng hình ảnh.

Ống kính thông thường: Có các đặc tính quang học cố định được xác định trong quá trình sản xuất. Khi vật liệu và độ cong của thấu kính được xác định, hành vi phân tán và khả năng truyền ánh sáng của chúng sẽ không thay đổi.

Trên đây là tất cả các điểm khác biệt giữa thấu kính lỏng và thấu kính thông thường. Hẹn gặp lại sự yêu thích của bạn.