Bättre bilder med nya linser
Framtidens mobilkameror har sin förebild i naturen.Av Tomas Nilsson
Precis som ögonen hos djur och människor samlar mobilkameran det ljus som reflekteras från världen runtomkring och fokuserar det på en bildsensor. I mobilkameran innehåller bildsensorn halvledare av CCD- eller CMOS-typ och i ögat är motsvarigheten näthinnans stavar och tappar.
Flytande autofokus
En betydande skillnad mellan kameror och ögon är hur fokuseringen fungerar. För att kunna få skärpa på saker som befinner sig på olika avstånd från ögat eller kameran måste linsen anpassas så att ljuset alltid samlas exakt på näthinnan eller bildsensorn. Den punkt bakom linsen där ljuset samlas kallas fokalplanet och om det hamnar framför eller bakom bildsensorn blir resultatet suddigt. De flesta mobilkameror använder fortfarande så kallad fixfokus. Det innebär att skärpan alltid blir bäst på sådant som befinner på ett och samma avstånd från linsen. Med bra ljus ökar skärpedjupet, avståndet mellan den närmaste och den mest avlägsna punkt som får bra skärpa i bilden. Mobilkamerorna trivs därför bäst utomhus där ljuset är bra.
De bästa mobilkamerorna, liksom de överlägset flesta "riktiga" kameror och naturligtvis också det mänskliga ögat kan fokusera på olika avstånd. I ögat sitter små muskler som kan påverka linsen. Själva linsen är mjuk och när musklerna spänns dras linsen ut och blir tunnare. När musklerna slappnar av återgår linsen till sitt gamla läge.
Dagens kameralinser är hårda och kan inte byta form. För att kunna ändra fokus flyttar man istället linserna i förhållande till bildsensorn och i förhållande till andra linser i optik som består av flera linselement. För att fokuseringen skall fungera krävs motorer och mekanik. Dessutom behöver linserna plats för att röra sig på. Det gör att en kamera med autofokus har många rörliga delar och kräver lite mer utrymme än en fixfokuskamera. Den lägre kostnaden tillsammans med lägre vikt och volym gör fixfokuskameran till mobiltillverkarnas favorit trots att bilderna blir betydligt sämre.
Flera olika tillverkare arbetar med att utveckla alternativ till motorer och finmekanik för att i framtiden kunna producera mindre autofokuskameror. Det franska företaget Varioptic och den nederländska elektronikjätten Philips satsar båda på en teknik som kallas electrowetting.
Precis som i ögat sker fokuseringen genom att linsen ändrar form och själva linsen i de nya konstruktionerna från Philips och Varioptic är flytande. Electrowetting innebär att med hjälp av en elektrisk ström påverka vätningsförmågan hos en vätskedroppe. Bild ldm-sip_01-0_h.jpg. Philips kameraprototyp med flytande lins
Vätningsförmågan är ett mått på hur stor yta en droppe av en vätska täcker när den kommer i kontakt med ett annat material. Tänk dig en vattendroppe på en välvaxad bil. Droppen blir ganska hög och täcker en förhållandevis liten yta med tanke på mängden vatten. Vattendroppens väggar lutar brant uppåt. Vattnets ytspänning och den vattenavstötande, eller hydrofoba som det också kallas, vaxytan gör att vätningsförmågan blir låg. Om bilen inte varit vaxad skulle ytan ha varit mer hydrofil, det vill säga mindre vattenavstötande, och vattendroppens vätningsförmåga större. Den hade täckt en större yta och haft en flackare lutning. Också vätskans ytspänning påverkar vätningsförmågan så vatten blandat med diskmedel har en högre vätningsförmåga än rent vatten. Med electrowetting behöver varken vätskan spetsas med diskmedel eller ytan bytas ut för att förändra vätningsförmågan. Istället bestäms droppens form av den elektriska spänning som matas in. Bilder Electrowetting-01-04
Den flytande linsen består av två olika vätskor som har samma densitet, men olika elektriska egenskaper. Att de har samma densitet är viktigt för att de inte ska byta plats på grund av tyngdkraften om linsen vänds upp och ned. Den ena vätskan är en vattenlösning som leder ström och den andra vätskan är en elektriskt isolerande olja. Oljan och vattnet har inte bara olika elektriska egenskaper utan bryter också ljus på olika sätt. Det innebär att om ytan där vattnet och oljan möts - vatten och olja blandas ju som bekant inte utan det blir en tydlig gräns mellan vätskorna - inte är helt vinkelrät mot de ljusstrålar som leds genom vätskorna så ändras ljusstrålarnas riktning. De båda vätskorna bildar en lins. Genom att kapsla in vätskorna i en tunn, rund behållare med tak och botten av glas bildas en lins som går att använda för till exempel mobilkameror. Linsens kanter består av två metallringar, en isolerad och en som står i elektrisk kontakt med vattenlösningen. Genom att mata in en spänning med en pol i varje metallring uppstår ett elektriskt fält som påverkar vätningsförmågan - ytan mellan oljan och vattnet ändrar form. För illustration: Liquid pres 2.jpg
Den flytande linsen har flera egenskaper som gör att den passar bra i mobiler. Den är till exempel helt fri från rörliga delar. Andra fördelar är att den passar bra för massproduktion och går att tillverka i extremt små storlekar. Autofokus är inte heller den enda funktion som linsens egenskaper kan användas för. Med två vätskelinser och några fasta linselement i plast eller glas går det att tillverka en optisk zoom - även den utan rörliga delar. När det gäller prestandan menar både Philips och Varioptic att de flytande linserna med god marginal ska matcha dagens mobilkameror med autofokus. De optiska egenskaperna är goda för alla frekvenser av synligt ljus och gränsen mellan vätskorna har en jämn form som ger en bild utan störningar. Reaktionstiden när fokus ska flyttas från ett avstånd till ett annat är också mycket snabb - Varioptics lins "Arctic 416" kan växla från 6 cm till oändlighet på 0,3 sekunder. Arctic-320-416.jpg Linser från Varioptic
När får vi se de första mobilerna med kameror baserade på flytande linser? Varioptic planerar att starta produktion av 100000 linser per månad under fjärde kvartalet 2006 i samarbete med det taiwanesiska företaget Creative Sensor. Creative Sensor tillverkar främst bildsensorer för scanners och multifunktionsskrivare idag, men satsar på att bli en underleverantör till mobiltillverkarna genom samarbetet med Varioptic.
Andra vägar till bättre linser
Ytbehandling av linser är något som många tillverkare använder för att ge bättre bilder. Genom att behandla linserna med magnesiumfluorid och andra ämnen minskar reflexerna och färgbalansen i bilderna blir bättre.
Linser av syntetisk kristall används för att slippa färgade skuggor i kontrastrika bilder - så kallad kromatisk aberration. Linser av fluoritkristall används sedan 60-talet i exklusiv optik. Ett billigare alternativ är linser av glas som imiterare fluoritens egenskaper, till exempel UD- och ED-linser.
