Công nghệ ống kính lỏng là gì?

Nhiều năm trước, để chụp được những bức ảnh nét, chất lượng cao, đòi hỏi bạn phải có những chiếc máy ảnh cao cấp đắt đỏ, đi kèm với những ống kính đắt không kém nhưng vô cùng mong manh dễ vỡ.

Nhưng chừng đó vẫn chưa đủ. Bạn còn cần kỹ năng và kiến thức để có thể lấy nét vào chủ thể. Nếu chủ thể di chuyển, trọng tâm lấy nét sẽ bị thay đổi, và bạn phải lấy nét lại nếu muốn có được ảnh như ý.

Khi máy ảnh ngày càng được cải tiến và phổ biến hơn trong cuộc sống của chúng ta, chúng cũng trở nên dễ sử dụng hơn, và lấy nét tự động ra đời thay cho lấy nét thủ công. Một lần nữa, khả năng lấy nét vẫn bị giới hạn bởi hình dáng và tiêu cự của ống kính. Các nhiếp ảnh gia chuyên nghiệp vẫn phải mang theo bên mình nhiều loại ống kính khác nhau với tiêu cự khác nhau nhằm chụp được những chủ thể ở gần hoặc ở xa tuỳ theo nhu cầu. Trên điện thoại, các nhà sản xuất cũng trang bị cho người dùng những cụm ống kính  đa dụng để đạt được hiệu ứng tương tự.

Nhưng bạn có bao giờ nghĩ đến một loại công nghệ mới với khả năng tích hợp nhiều tiêu cự và hình dạng ống kính khác nhau vào trong một ống kính duy nhất? Nếu có, thì xin khẳng định ngay rằng công nghệ đó có thật, và nó được gọi là "ống kính lỏng".

Ống kính cơ khí và ống kính lỏng

Ống kính lỏng độc đáo ở chỗ không có bất kỳ thành phần cơ khí nào bên trong nó. Trong ống kính cơ khí, các thấu kính thuỷ tinh được đẩy lại gần hoặc ra xa cảm biến máy ảnh để đạt được những tiêu cự khác nhau. Hành động này sẽ thay đổi trường nhìn và khoảng cách cảm nhận giữa máy ảnh với chủ thể.

Ở những tiêu cự ngắn, bạn sẽ có được trường nhìn rất rộng và ảnh sẽ trông có vẻ đang được zoom ra xa. Với các tiêu cự dài hơn, bạn sẽ có trường nhìn hẹp hơn và hình ảnh như được zoom lại gần. Để có được những tiêu cự khác nhau như vậy, bạn hoặc phải sử dụng một ống kính zoom cho phép di chuyển thấu kính gần lại hoặc xa ra khỏi cảm biến hình ảnh, hoặc phải chuyển sang một ống kính khác với tiêu cự khác.

Điều đặc biệt ở các ống kính lỏng là chúng có thể thay đổi hình dáng và từ đó thay đổi đáng kể tiêu cự dù không có bất kỳ thành phần cơ khí nào. Chưa hết, điều này có thể được thực hiện chỉ trong vài milli-giây - quá nhanh đến nỗi bạn sẽ không biết điều đó đang diễn ra. Về lý thuyết, điều đó đồng nghĩa bạn có thể thay thế nhiều ống kính khác nhau hoặc nhiều tiêu cự khác nhau chỉ với một ống kính lỏng duy nhất.

Bởi ống kính lỏng không cần thay đổi khoảng cách tương đối của nó với cảm biến hình ảnh để thay đổi tiêu cự, nó có thể có kích thước nhỏ hơn nhiều so với những ống kính cơ khí cồng kềnh mà chúng ta đã quen thuộc. Nhưng làm sao một ống kính lỏng có thể thay đổi hình dạng và tiêu cự?

Cách hoạt động của ống kính lỏng

Vì tốc độ thay đổi hình dạng của một ống kính lỏng quá nhanh, bạn có cảm giác như ma thuật vậy, nhưng trên thực tế mọi thứ đều diễn ra theo một quy trình có tính khoa học cao. Nếu một giọt chất lỏng được đặt lên một bề mặt kỵ nước, thì các phân tử trong chất lỏng sẽ liên kết lại với nhau và tạo thành dạng hạt, bởi chúng bị đẩy ra do bản chất kỵ nước của bề mặt.

Màu xanh dương: chất lỏng; màu xanh lá: lớp cách điện; màu xám: kim loại

Khi một điện trường xuất hiện trên chất lỏng đó và một chất liệu dẫn điện khác như nhôm vốn nằm ở mặt kia của bề mặt kỵ nước, chất lỏng trở nên tĩnh điện và bám vào nhôm. Các phân tử cấu thành chất lỏng sẽ tản ra khi chúng tìm cách tiếp cận nhôm, kết quả là hạt nước sẽ thay đổi hình dạng. Quy trình này được gọi là electrowet, và là nền tảng cơ bản của công nghệ ống kính lỏng.

Điện trường càng mạnh, chất lỏng càng bám vào vật liệu dẫn điện. Có nghĩa là nước sẽ tản ra xa hơn khi tìm mọi cách để tiếp cận vật liệu dẫn điện vốn nằm ở bên kia bề mặt kỵ nước. Bằng cách thay đổi lượng điện sử dụng, chất lỏng có thể được điều khiển để thay đổi thành nhiều hình dạng khác nhau. Nếu chất lỏng được sử dụng như một thấu kính, thì mỗi hình dạng khác nhau của nó sẽ có những tiêu cự khác nhau, từ đó thay đổi đáng kể hình ảnh mà cảm biến thu được.

Mang electrowet lên ống kính máy ảnh

Khái niệm electrowet lần đầu được đưa ra vào cuối những năm 1800. Nó sau đó được nghiên cứu kỹ hơn vào giữa và cuối những năm 1900, nhưng phải đến tận năm 1993, người ta mới thử đưa một lớp cách điện (vật liệu kỵ nước) vào giữa kim loại dẫn điện và chất lỏng. Về mặt kỹ thuật, đây được gọi là electrowet trên điện môi (EWOD), nhưng bạn có thể gọi nó là electrowet cũng không sao.

Màu xanh dương đậm: lớp cách điện; màu xám: kim loại; màu xanh nhạt: nước; màu vàng: dầu

Người đầu tiên đưa lớp cách điện vào như đã nói ở trên là Bruno Berge, và ông cũng là người tiên phong sử dụng công nghệ mới này trong các ống kính lỏng. Sau khi khám phá công nghệ này, Berge đã thành lập một công ty tên Varioptic vào năm 2002 và bắt đầu chế tạo những ống kính lỏng đầu tiên dành cho máy ảnh.

Đối với ống kính máy ảnh, cần thực hiện một số thay đổi đối với quá trình electrowet mới có thể chụp được ảnh. Chất lỏng thay đổi hình dạng được đặt trôi lơ lửng trong một chất lỏng khác kỵ nó, tương tự như cách dầu và nước kỵ lẫn nhau. Kim loại dẫn điện bao quanh thân ống kính, với thấu kính được đặt ở hai mặt để giữ các chất lỏng bên trong. Vật liệu cách điện kỵ nước bao phủ kim loại để bạn có thể tạo ra những phản ứng tương tự như đã đề cập ở phần trên. Có nghĩa là chất lỏng lơ lửng bên trong nay bị đẩy ở tất cả các mặt bởi chất lỏng kỵ nó và lớp cách điện kỵ nước - chất lỏng dẫn điện buộc phải giữ nguyên hình dạng, thậm chí kháng lại mọi hiệu ứng gây ra bởi trọng lực. Nhờ cải tiến này, công nghệ ống kính lỏng đã có thể được ứng dụng trong các máy ảnh.

Ưu điểm của ống kính lỏng

Khi đã biết cách hoạt động của ống kính lỏng, bạn sẽ tự hỏi liệu chúng có xứng đáng với những rắc rối gặp phải để tạo nên chúng hay không. Các ống kính lỏng Varioptic có một vài lợi thế so với ống kính cơ khí mà chúng ta đã quen thuộc.

Nhiều tiêu cự trong một ống kính

Chúng ta đã đề cập đến tiêu cự của ống kính ở trên, và đó là một trong những lợi thế lớn của ống kính lỏng. Thông thường, nếu bạn muốn có nhiều tiêu cự trong một ống kính, bạn cần ống kính zoom, vốn cho phép thấu kính bên trong di chuyển. Kết quả là ống kính zoom khá cồng kềnh và nặng nề, với giá bán khá cao và dễ hư hỏng (do có các thành phần cơ khí di chuyển).

Ống kính lỏng có thể mang lại cho bạn nhiều tiêu cự khác nhau mà không cần các thành phần di chuyển bằng cách tạo ra một dòng điện nhỏ lên ống kính. Có nghĩa là các ống kính này có thẻ nhỏ hơn nhiều mà vẫn cho ra những hình ảnh với trường nhìn và mức độ zoom khác biệt đáng kể.

Thay đổi điểm lấy nét và tiêu cự trong vài milli-giây

Thay đổi tiêu cự dễ dàng, nhưng điểm ấn tượng nhất về ống kính lỏng là nó thay đổi tiêu cự với tốc độ cực nhanh. Với một ống kính zoom, bạn phải chờ các mô-tơ di chuyển thấu kính hoặc tự di chuyển bằng cách vặn vòng zoom bên ngoài ống kính. Khá tốn thời gian. Nhưng với một ống kính lỏng, thay đổi này diễn ra gần như tức thời, chỉ mất vài milli-giây là bạn đã có thể chụp được một hình ảnh hoàn toàn khác biệt. Điều này còn cho phép một ống kính lỏng lấy được nét một cách nhanh gọn vào các chủ thể nằm ở những khoảng cách xa gần khác nhau.

Một ống kính lỏng có thể cho ra ảnh sắc nét về một chủ thể ở gần, và chưa đầy một giây sau đó, cho ra một bức ảnh sắc nét tương đương về một chủ thể ở xa.

Không có các thành phần cơ khí nên khó bị hỏng

Các ống kính lỏng Varioptic không có bất kỳ thành phần cơ khí và di chuyển nào. Có nghĩa là số lượng thành phần bên trong có khả năng bị hỏng sẽ ít đi rất nhiều. Kết quả là bạn có một ống kính tuyệt vời, không dễ hỏng hóc như những ống kính mà chúng ta đã quen thuộc. Nếu bạn làm rơi một ống kính cao cấp đắt tiền, nó có khả năng bị hư hỏng không sửa chữa được. Các ống kính truyền thống có quá nhiều thành phần có thể bị rơi ra khỏi vị trí của chúng, và chỉ một thay đổi dù là nhỏ nhất cũng khiến ống kính bị ném vào sọt rác khi mà hình ảnh sẽ không còn nét đúng nơi cần nét nữa. Nhưng với một ống kính lỏng của Varioptic, không có thành phần di chuyển hay cơ khí nào để bị hỏng cả. Do đó, các ống kính này sẽ có khả năng kháng sốc - nếu bị rơi, chúng vẫn có thể tiếp tục được sử dụng.

Tuổi thọ xuất sắc

Ai cũng biết rằng các hệ thống cơ khí không sớm thì muộn cũng xuống cấp. Do đó, các ống kính cơ khí chỉ có thể xoay, vặn trong một thời gian nhất định. Trên một máy ảnh công nghiệp trong các nhà máy tự động hoá, vốn được xoay, vặn hàng triệu lần, các ống kính truyền thống chỉ tồn tại được vài tuần trước khi hao mòn. Ống kính lỏng có vòng đời dài hơn nhiều bởi chúng không có bất kỳ thành phần cơ khí nào để bị hỏng. Có nghĩa là chúng có thể xoay, vặn hàng trăm triệu lần mà không bị hao mòn hay nứt gãy.

Kích cỡ nhỏ hơn nhiều so với các ống kính truyền thống

Để có được nhiều tiêu cự trong một ống kính duy nhất, các ống kính zoom phải có kích cỡ khá lớn, làm máy ảnh trở nên nặng nề hơn. Kích cỡ lớn của chúng đảm bảo có đủ không gian cho thấu kính bên trong di chuyển lại gần hoặc ra xa cảm biến để thay đổi tiêu cự. Nhưng bởi một ống kính lỏng có thể thay đổi tiêu cự mà không cần bất kỳ thành phần di chuyển nào, kích cỡ tổng thể của ống kính có thể chỉ bằng một phần nhỏ của các ống kính cỡ đại đang thống trị thị trường hiện nay.

Chống rung quang học tốt hơn

Các nhiếp ảnh gia chuyên nghiệp thường phải mang theo những cây tripod cồng kềnh để giữ máy ảnh ổn định và loại bỏ hiệu ứng rung lắc của tay người chụp. Bất kể bạn đứng yên đến mức nào, máy ảnh vẫn sẽ bị ảnh hưởng bởi những chuyển động rất nhỏ của bàn tay, khiến hình ảnh bị mất nét và mờ nhoè, kể cả khi chủ thể đã được khoá nét. Nhưng các ống kính lỏng có thể kháng lại chuyển động này và cho ra những hình ảnh ổn định bất kể trạng thái của người chụp. Công nghệ này sẽ mở ra một thế giới mới của nhiếp ảnh cầm tay, nơi những cây tripod trở nên thừa thãi.

Khả năng lấy nét gần

Những ống kính truyền thống bị hạn chế khả năng lấy nét ở những chủ thể quá gần. Nhưng ống kính lỏng có thể làm được điều đó, khiến chúng trở nên cực kỳ hữu dụng trong lĩnh vực y khoa, nơi các máy ảnh siêu nhỏ được đưa vào cơ thể người vốn không có nhiều không gian để lấy nét từ xa.

Tiết kiệm pin

Ống kính lỏng chỉ sử dụng một lượng điện rất nhỏ để thay đổi hình dạng và tiêu cự. Các ống kính cơ khí sử dụng lượng điện cao gấp nhiều lần để thực hiện việc điều chỉnh, đặc biệt nếu ống kính được điều khiển bởi mô-tơ.

Ống kính lỏng đang được sử dụng ở đâu

Bởi tốc độ lấy nét siêu nhanh và khả năng tồn tại sau hàng trăm triệu lần xoay, vặn, các ống kính lỏng hiển nhiên được ứng dụng đầu tiên trong lĩnh vực công nghiệp. Các thiết bị sản xuất tự động hoá cần phải lấy nét vào những vật phẩm với kích cỡ khác nhau và làm điều đó hàng triệu lần mỗi tuần. Ống kính lỏng có thể tồn tại nhiều năm dù liên tục được sử dụng, trong khi các ống kính cơ khí truyền thống sẽ hỏng chỉ sau vài tháng hay thậm chí vài tuần. Điều này giúp các nhà sản xuất tiết kiệm thời gian và tiền bạc khi không cần thay mới các ống kính bị hỏng.

Các máy quét mã vạch hiện đã sử dụng ống kính lỏng được một thời gian. Chúng cần lấy nét nhanh vào các mã vạch từ nhiều khoảng cách khác nhau. Ống kính lỏng làm điều đó rất dễ dàng bởi chúng có thể tái lấy nét gần như tức thời ở bất kỳ khoảng cách nào từ mục tiêu.

Nhờ khả năng lấy nét gần và lượng điện tiêu thụ thấp, ống kính lỏng đang tiến vào lĩnh vực y khoa. Các máy ảnh soi ổ bụng đang sử dụng ống kính lỏng, vốn có thể lấy nét vào các chủ thể ở rất gần. Chúng cần lấy nét tức thời bên trong cơ thể bệnh nhân để các bác sỹ và các chuyên gia phẫu thuật có thể thấy rõ những điều đang diễn ra, và dung sai của chúng cũng rất nhỏ. Các loại kính hiển vi 3D cũng bắt đầu được tích hợp công nghệ này vì khả năng lấy nét xuất sắc vào các chủ thể có kích cỡ khác nhau.

Ống kính lỏng còn được sử dụng với laser bởi chúng có thể tái định hướng chùm tia theo nhiều hướng khác nhau mà không cần di chuyển. Nhờ đó, tia laser sẽ được ổn định mà vẫn cho phép người dùng nhắm vào bất kỳ đâu họ cần.

Ứng dụng trong tương lai

Ống kính lỏng đang dần hiện diện trên các máy ảnh tiêu dùng, nhưng chúng vẫn là một công nghệ khá mới mẻ. Trên thực tế, nó đã được phát minh ra từ năm 2002 bởi Varioptic. Vào năm 2005, Samsung đã hợp tác với Varioptic để đưa công nghệ này vào máy ảnh smartphone. Mới đây, Xiaomi ra mắt smartphone gập Mi Mix Fold sử dụng ống kính lỏng trên camera tele.

Smartphone là một nền tảng hoàn hảo dành cho công nghệ này, bởi chúng có không gian rất hạn chế. Ngày nay, điện thoại đang được tích hợp nhiều ống kính riêng biệt hơn để mang lại cho người dùng những cụm camera đa dụng và mạnh mẽ. Nhưng những ống kính đó lại chiếm quá nhiều không gian bên trong điện thoại, và chúng ta vẫn chưa có được công nghệ zoom quang học đủ tốt để trang bị cho điện thoại. Ống kính lỏng, giống như những ống kính do Varioptic chế tạo nên, có thể mang lại khả năng zoom siêu việt mà vẫn đủ nhỏ để tích hợp vào các smartphone hiện đại.

Varioptic đến nay đã bán được hơn 2 triệu ống kính lỏng. Công nghệ này đang ngày càng hiện diện nhiều hơn dưới những dạng thức phù hợp với người tiêu dùng. Trên thực tế, một số camera USB đã được chế tạo với ống kính lỏng, lần đầu trong lịch sử góp phần mang công nghệ này đến nhiều hộ gia đình. Nhưng tất cả mới chỉ là sự khởi đầu. Khi công nghệ tiếp tục cải tiến và phổ biến hơn, chúng ta sẽ thấy nó được sử dụng trong các máy ảnh thông thường, thậm chí có tiềm năng thay thế các ống kính cơ học vốn đã quen thuộc với các nhiếp ảnh gia từ bao lâu nay.

Tạm kết

Ống kính lỏng là tương lai của công nghệ hình ảnh. Trong bối cảnh máy ảnh đang trở thành một phần thiết yếu của cuộc sống, người dùng hiển nhiên muốn những công nghệ sử dụng để chế tạo máy ảnh được cải thiện hơn nữa, dẫn đến sự xuất hiện của những chiếc máy ảnh nhỏ gọn nhưng cực kỳ mạnh mẽ. Tuy nhiên, các thành phần cơ khí chỉ có thể được thu nhỏ đến một mức nhất định, và để có được nhiều tiêu cự trong một ống kính duy nhất, chúng ta sẽ cần rất nhiều thành phần di chuyển nếu tiếp tục với công nghệ ống kính truyền thống.

Khi ống kính lỏng trở nên phổ biến hơn, các công ty như Varioptic sẽ tiếp tục nghiên cứu để khiến chúng nhỏ hơn và mạnh mẽ hơn. Không lâu nữa, bạn sẽ được trên tay một ống kính lỏng, bên trong chiếc smartphone của mình. Hầu hết chúng ta thậm chí sẽ không hề biết điều đó đang diễn ra, nhưng nếu máy ảnh smartphone bất ngờ có một bước nhảy vọt, bạn có thể chắc chắn rằng thời đại của ống kính lỏng đã đến.

Minh.T.T (Tham khảo OpticsMag)

Đánh giá gần đây
Đọc nhiều nhất Phản hồi nhiều nhất

1 10 chiêu "thần thánh" xử lý hầu như mọi sự cố thiết bị điện tử

2 Vinfast "định giá ít nhất 50 tỉ USD" trên cơ sở nào?

3 Tại sao cộng đồng mạng lại hào hứng khi DogeCoin cán mốc 10 xu?

4 Đổ mồ hôi để thải độc tố: Sự thật sẽ khiến bạn… ngã ngửa!

5 'Mortal Kombat: Cuộc chiến sinh tử': Hành động siêu mãn nhãn, nội dung nhạt nhẽo

Tin Liên quan
Các tin khác
a
Xem thêm
Góc nhìn VNREVIEW