Jie panašūs į paprastus gumos ar plastiko strypus. Bet jie užlenkia šviesą kaip lęšiai, kurių židinio nuotolis keičiasi vien įjungus jungiklį. Kodėl šiais naujoviškais optikos prietaisais taip susidomėjo Pentagonas?

   Lęšis, kurį galima pamatyti Edo Rietmano laboratorijoje, labiau tiktų kokiam savamokslio išradėjo namų rūsiui. Jį sudaro apskritas skaidrios gumos lopinėlis, kiek mažesnis už stiklainio dangtelį, įtvirtintas aliuminio rėmelyje. Atrodo, kad šviesa sklinda pro jį taip pat, kaip ir pro kiekvieną iš skaidrios medžiagos pagamintą objektą. Ir vaizdas, matomas per šį lęšį, nėra niekuo ypatingas: paprastas kabelis, kabantis ant sienos kitame kambario gale. Sunku patikėti, jog taip paprastai atrodantis daiktas galėtų amžiams pakeisti optiką.

   Bet, kai Rietmanas prijungia prie savojo lęšio elektros įtampą, vyksta keisti dalykai. Plokščias gumos gabalas nepajuda, nepakeičia savo formos ir nepasisuka, kaip padarytų įprasti lęšiai, tačiau per jį matomas vaizdas drastiškai pasikeičia. Kabelis staiga susitraukia. Kai Rietmanas vėl išjungia įtampą, vaizdas vėl tampa ankstesnis. Šis gumos gabalas ne tik veikia kaip lęšis, bet šio lęšio galią galima kaitalioti.

   Rietmano darbas yra vienas iš daugelio projektų, kurį finansuoja JAV Šiuolaikinių gynybinių projektų agentūra DARPA, siekianti sukurti naujos kartos lęšius. Programos idėja kilo buvusiam Jūrų laivyno mokslinės laboratorijos chemikui Lenui Buckley. Lęšiai, kurių norėtų Buckley, pakeistų ne tik galingus teleskopus ir karines stebėjimo sistemas bet ir pigias vienkartines fotokameras.

   "Jeigu apžvelgsite, kas buvo padaryta tobulinant lęšius pastaraisiais šimtmečiais, labai daug nepamatysite", - teigia Buckley. 2002 m. atėjęs dirbti į DARPA, Buckley pradėjo galvoti, kaip būtų įmanoma atsisakyti viduramžių technologijos. DARPA projektų vadovų prašo siūlyti naujas svarbių technikos problemų sprendimo koncepcijas, tad Buckley nutarė sutelkti jėgas sudėtingų šiandienos optinių sistemų tobulinimui.

   Periskopai, vaizdo ieškikliai, teleskopai ir kamerų lęšiai - visus juos sudaro daug atskirų optinių komponentų. Tie komponentai yra inžinerijos šedevrai, tačiau tuo pat metu gana sunkiai pagaminami ir gležni. Lyginant su kameros dydžiu, ypač gremėzdiški yra lęšiai, kurie keičia vaizdo mastelį. Konstruktoriai ištisus dešimtmečius triūsė bandydami sukurti mažesnius ir paprastesnius optinius prietaisus, kurių charakteristikos būtų ne prastesnės už didesnių analogų. Bet Buckley dabar turi koncepciją, kuri turėtų viską pakeisti.

   Svarbiausia medžiagos, iš kurios gaminami lęšiai, savybė - išskyrus, aišku, jos skaidrumą šviesai - sugebėjimas laužti šviesos pluoštelių sklidimo kelią. Šio efekto dydis yra apibūdinamas parametru, vadinamu lūžio rodikliu, pasakančiu, kiek kartų medžiagoje šviesa sklinda lėčiau negu vakuume. Pavyzdžiui: sakoma, kad stiklo, iš kurio yra gaminami tradiciniai fotoaparatų lęšiai, lūžio rodiklis yra lygus 1,5, kadangi vakuume šviesa sklinda 1,5 karto greičiau negu stikle.

   Šviesos pluoštelio sklidimo kryptis, kai jis kerta ribą tarp dviejų medžiagų, keičiasi būtent dėl šio šviesos greičių skirtumo. Pluoštelio lūžio dydis priklausys nuo kampo, kuriuo jis kirs ribą, todėl tradicinių lęšių optiniai parametrai labai priklauso nuo jų formos. Jeigu lęšis yra išgaubtas, kitaip tariant, storesnis viduryje nei šonuose, lygiagretūs šviesos spinduliai užlenkiami taip, kad susikirstų kaip saulės spinduliai didinamajame stikle. Jei lęšis bus įgaubtas, storesnis kraštuose, šviesos spinduliai bus išskiriami į šonus.

   Moderniose kamerose vaizdai projektuojami į fotojuostelę arba į elektroninį vaizdo sensorių dviem ar daugiau lęšių, kurie fokusuojant vaizdą judinami pirmyn-atgal. Nuo atstumo, kuriuo kameroje ar mikroskope esantys lęšiai gali pajudėti, priklausys nuotolis, su kuriuo optinė sistema dar gali susidoroti. Šį nuotolį įmanoma praplėsti pasitelkus papildomus lęšius arba išradingą konstrukciją, todėl optikos konstruktoriai visuomet balansuoja tarp prietaiso sudėtingumo ir jo kainos bei praktiškumo.

   Tačiau Buckley sumanė eiti kitu keliu, stebėdamas žmogaus akį. Joje tėra tik vienas lęšis, bet jis puikiausiai sugeba sufokusuoti į įvairiuose atstumuose esančius objektus. Akies lęšis nejuda, o savo židinio nuotolį keičia keisdamas formą. Pakelkite žvilgsnį nuo šio puslapio ir pažvelkite į tolį: jūsų akies lęšis suplonės, nes sieks išlaikyti vaizdą fokuse. Nuleidus žvilgsnį į žurnalo puslapį, lęšis vėl suapvalės.

   Tuo remdamasis Buckley iškėlė hipotezę, kad lęšio stiprinimą galima keisti ne tik keičiant jo formą, bet ir įvairiose lęšio vietose pakeičiant jį sudarančios medžiagos lūžio rodiklį. Buckley žinojo, jog kai kuriose medžiagose, pavyzdžiui, silikonuose, lūžio rodiklis šiek tiek keičiasi per jas sklindant akustinėms bangoms. Bangoms sąveikaujant su medžiaga, pastaroji sutankėja ar išretėja. Bangoms sklindant per medžiagą, atsiranda judančios didesnio ir mažesnio lūžio rodiklio zonos.

  Apie ultragarso bangų kietuosiuose kūnuose gebėjimą moduliuoti šviesos pluoštelius buvo žinoma jau keletą dešimtmečių, bet niekas iki šiol nepabandė panaudoti šio reiškinio šviesos fokusavimui. Edas Rietmanas ir jo kolegos Keithas Higginsonas bei Mike Costolo iš firmos Triton Systems pasisiūlė tai padaryti ir sukurti naujoviškus lęšius.

   Svarbiausias dalykas yra silikoninės gumos diską laikantis rėmas. Jame yra rinkinys pjezoelektrinių keitiklių, generuojančių didelio dažnio ultragarso bangas. Kiekvieno keitiklio generuojamos bangos atsispindi nuo abiejų rėmo kraštų ir gumoje sudaro tam tikrą interferencinį raštą. Visų keitiklių kuriami raštai susikerta lęšio viduryje, o reikiamai paderinus keitiklių dažnius, įmanoma sudaryti statišką vaizdą, kuris silikono disko centre sukuria mažesnio tankio ir mažesnio lūžio rodiklio sritį negu kraštuose. Šitokiame lęšyje lūžio rodiklis mažėja į šonus nuo vidurio, todėl lęšis sklaidys šviesos spindulius.

   Tačiau dar teks nemažai nuveikti, kol guminius lęšius bus galima praktiškai naudoti. Šiuo metu lūžio rodiklis pakinta tik nedidelėje, vos kelių milimetrų skersmens centrinėje lęšio dalyje. Ultragarso bangos ilgiui didėjant, tokia zona plėsis ir Rietmano grupė šiuo metu stengiasi sukurti pakankamai galingus tokio bangos ilgio keitiklius. Jie taip pat tiria ir skystuosius lęšius. Kartu su Higginsonu Rietmanas taip pasigamino 7 cm lęšį: plyšį tarp dviejų stiklų pripildė glicerino. Šiuo atveju lūžio rodiklis keičiasi mažiau negu guminiame lęšyje, todėl pokytį galima pastebėti tiktai išjungus laboratorijoje šviesą ir į centrinę lęšio dalį nutaikius žalią lazerio pluoštelį.

   Dabar mokslininkams tenka spręsti dar vieną svarbią praktinę problemą - kaip susidoroti su chromatine aberacija, kuri kelia daug rūpesčių ir tradicinių lęšių konstruktoriams. Paprastos medžiagos, tokios kaip stiklas, skirtingos spalvos šviesą priverčia lūžti skirtingais kampais. Mėlyna šviesa lūžta daugiau už raudoną. Būtent dėl šios priežasties prizmės sugeba išskirstyti baltą šviesą į įvairių spalvų komponentus. Tačiau lęšio atveju tai reiškia, kad kiekviena šviesa turės savo atskirą židinio nuotolį. Pigiuose teleskopuose dėl to apie objektus susidaro spalvoti ratai, o pigiais fotoaparatais padarytos nuotraukos tampa blausios.

   Lęšių konstruktoriai gali išvengti šios problemos, nes skirtingų rūšių stikluose spalvų dispersija yra skirtinga. Pavyzdžiui, flinto stikle dispersija yra du kartus didesnė nei kvarciniame stikle. Todėl, derinant įgaubtą lęšį iš flinto su išgaubtu kvarciniu lęšiu, galima pasiekti, kad abiejų medžiagų dispersija maždaug kompensuotų viena kitą. Tačiau tokie lęšiai gerokai sudėtingesni ir brangesni.

   Žmogaus akis ir šią chromatinės aberacijos problemą išsprendė savaip. Akyje nėra daugybės lęšių, pagamintų iš skirtingų medžiagų, tačiau vienintelis joje esantis lęšis sudarytas iš sluoksnių, kur viena ant kitos sudėta nuo 2 iki 3 tūkstančių ląstelių. Kai kurie yra storesni ir pasižymi kitokiomis refrakcinėmis ir dispersinėmis charakteristikomis. Buckley tiki, kad čia gali slypėti naujų chromatinės aberacijos sumažinimo būdų įminimas ir finansuoja medžiagų, atkartojančių geriausias gamtoje sutinkamų lęšių savybes, tyrimus. "Mes negalime pasinaudoti gamtinėmis medžiagomis, kadangi jos nėra itin patvarios", - aiškina jis. "Bet egzistuoja dirbtiniai nanodariniai, kurie sugeba kitaip kompensuoti chromatinę aberaciją. Pavyzdžiui, galima užpildyti akytos medžiagos poras tokia medžiaga, kurios optinės savybės skiriasi nuo pagrindo optinių savybių".

   Sterlingas McBride iš Sarnoff Corporation šiuo metu stengiasi įvesti skaidrius skysčius į periodiškus darinius, vadinamus fotoniniais kristalais. Skysčiui patekus į poras, jis pakeičia bendrą darinio lūžio rodiklį. McBride šitaip sugebėjo du kartus pakeisti eksperimentinio lęšio židinio nuotolį, o tai reiškia, jog atstumas iki lęšio sukuriamo vaizdo padidėja dvigubai. Sistema veikia tik infraraudonojoje spektro srityje, todėl ją bus galima panaudoti kariškių naktinio matymo sistemose.

   Panašią koncepciją vysto Shin-Tson Wu iš Floridos universiteto. Wu tiria skystuosius kristalus, sudarytus iš cigaro formos molekulių, linkusių išsilygiuoti elektrinio lauko kryptimi. Šviesa, keliaujanti link ilgosios ašies turi kitokį lūžio rodiklį negu šviesa, kuri sklinda jai statmena kryptimi. Keisdamas elektrinį lauką ir priversdamas vis daugiau molekulių išsilygiuoti, Wu gali pakeisti medžiagos lūžio rodiklį.

   Paaiškėjo, kad pagaminti pakankamai didelius skystųjų kristalų lęšius, tinkančius vaizdo technikai, yra labai sunku, bet, įterpęs nanometrų dydžio skystojo kristalo lašelius į polimero matricą, Wu sugebėjo sukurti ir didesnius lęšius. Jis keičia tų lašelių pasiskirstymą polimere taip, jog efektinis lūžio rodiklis keičiasi sklisdamas nuo lęšio centro link jo kraštų. Prijungtas elektrinis laukas pakeičia skystojo kristalo nanolašelių lūžio rodiklį, o didžiausi pokyčiai vyksta tose srityse, kuriose kristalai užima didesnę tūrio dalį.

   Ši DARPA programa remia ir Kalifornijos firmoje SBA Goleta atliekamus tyrimus, kuriuos atliekant dėmesys skiriamas siauram bangos ilgių ruožui. Vietoj skystųjų kristalų naudojamos fotochrominės medžiagos, panašios į tas, kurių dėka ryškioje šviesoje patamsėja akinių stiklai. Šias medžiagas sudaro molekulės, galinčios būti dviejose būsenose - šviesą sugeriančioje, patamsinančioje akinių stiklus, ir šviesą praleidžiančioje, kuri tuos stiklus skaidrina. Molekules tarp šių būsenų perjunginėja pati šviesa. Molekulei persijungus į šviesą sugeriančią būseną, išauga ir lūžio rodiklis, atitinkantis bangos ilgius, artimus medžiagos sugeriamai šviesai. SBA tiriamos medžiagos yra fotochromiškos matomosios ir infraraudonosios spinduliuotės diapazone, bet, joms junginėjantis tarp abiejų būsenų, lūžio rodiklis keičiasi ir mėlynai, ir raudonai šviesai. Tai reiškia, kad iš tokių medžiagų galima pagaminti UV arba infraraudonąja spinduliuote valdomus, bet matomai šviesai skirtus lęšius.

   Kintančio židinio nuotolio lęšių pademonstravimas tėra pirmasis žingsnis. Buckley jau mąsto apie tai, kaip ši technologija galėtų būti panaudota sudėtingesnėse sistemose ir netgi sudarė keleto ateities optinių sistemų eskizus. Vienu iš taikymų galėtų būti sudėtingų, sunkių ir delikačių kintamo židinio nuotolio lęšių pakaitalas. Nors vieno lęšio, pagaminto iš kintamo lūžio rodiklio medžiagos, nepakaktų, nes jis nesugebėtų vienu metu ir didinti vaizdo, ir išlaikyti vaizdą fokuse, Buckley įrodė, kad iš dviejų tokių lęšių sudaryta konstrukcija bus daug paprastesnė ir kompaktiškesnė už dabar esamus "zoom" lęšius.

   Buckley taip pat pasiūlė kelias gana egzotiškas idėjas. Žmogaus akies tinklainės centrinėje dalyje šviesai jautrių ląstelių tankis yra didžiausias, todėl leidžia pasiekti didžiausią regos skyrą. Mes sunkiai išskiriame į periferinį regos lauką patekusius objektus ir nukreipiame į juos akis tada, kai norime geriau įžiūrėti. Buckley nori pamėgdžioti šią žmogaus akies ypatybę, bet be judančių lęšių. Galima valdyti lūžio rodiklio pasiskirstymą lęšyje taip, jog vienai jo daliai susifokusavus į kurį nors tašką, likusioji lęšio dalis stebės likusią aplinką su mažesne skyra. Jei kur nors atsitiks kas nors įdomaus, fokusas pasislinks.

   Kintamo lūžio rodiklio lęšiai galės, patys nejudėdami, didinti pasirinktąją vaizdo dalį. Tokios optinės sistemos, sujungtos su vaizdą apdorojančiais kompiuteriais, labai sumažintų reikalingų skaičiavimų skaičių ir sistema reaguotų į vaizdo pokyčius kur kas sparčiau. Pavyzdžiui, automobilis su tokia infraraudonąja naktinio matymo sistema galėtų net ir judėdamas dideliu greičiu operatyviai aptikti įvairius kelyje pasitaikiusius objektus.

   Galima tik spėlioti, kada taip bus. Dar praeis keleri metai, kol koncepcijos virs geros kokybės lęšiais, reikalingais komercinėms stebėjimo sistemoms. Tačiau, kai tai taps realybe, optinių sistemų konstravime įvyks revoliucija, po kurios lęšiai niekuomet nebebus kaip prieš ją.