Человеческое зрение постоянно автоматически переводит фокус между объектами, находящимися на разных расстояниях, практически без нашего участия. Традиционные камеры и оптические приборы решают эту задачу иначе — они используют механизмы для перемещения линз. Учёные разработали альтернативный подход: при помощи электрического сигнала мягкая линза изменяет свою форму, что позволяет перестраивать фокус без движущихся деталей.
Специалисты создали прозрачные проводящие слои из восстановленного оксида графена и нанесли их на гибкую мембрану под линзой. Когда электрическое поле воздействует на мембрану, она растягивается, кривизна линзы изменяется, и фокус переводится на объекты, расположенные на иных дистанциях. При этом жёсткие оптические элементы остаются неподвижными.
Обычные объективы используют совершенно другой принцип: для наведения резкости один или несколько твёрдых оптических компонентов передвигаются вдоль оптической оси. Электромотор, направляющие системы и прочие детали требуют дополнительного места, увеличивают вес и усложняют конструкцию. Это особенно критично для компактных камер, медицинской аппаратуры и портативных гаджетов, где внутри корпуса практически нет свободного пространства.
Мягкие электрически управляемые линзы решают эту проблему, полностью исключая необходимость в перемещении жёстких оптических элементов. Электрическое поле деформирует эластичный материал, геометрическое изменение линзы корректирует её оптические свойства. В данном прототипе растяжение происходит в радиальном направлении: мембрана расширяется, форма линзы перестраивается, и фокус переводится на другую дистанцию.
Основная сложность заключалась в создании подходящих электродов. Электростатическому приводу необходимы проводящие материалы, которые могут растягиваться вместе с гибкой мембраной. Большинство подходящих материалов либо непрозрачны, либо пропускают недостаточно света. Если закрыть центральную часть линзы такими материалами, прибор не сможет правильно формировать изображение.
Поэтому в более ранних конструкциях электроды приходилось размещать по краям оптической системы, оставляя центр открытым для света. Такая схема увеличивает размеры системы и ограничивает возможности конструкции. Разработчики столкнулись с противоречием: чем меньше они пытались сделать линзу, тем сложнее было разделить электрическую и оптическую части по разным зонам.
Решение пришло с использованием восстановленного оксида графена (rGO). Этот материал содержит кислородные группы и проводит электричество слабее, чем чистый графен. При химической обработке часть кислорода удаляется, проводимость увеличивается. Материал можно наносить чрезвычайно тонким слоем, сохраняя при этом прозрачность для видимого света.
Прозрачность rGO позволила поместить проводящий слой прямо на гибкий привод под линзой. Электрод теперь растягивается вместе с мембраной и находится на одной оптической оси с линзой. Разработчикам больше не требовалось увеличивать размеры устройства, чтобы вынести непрозрачные проводники в сторону.
Однако тонкого слоя недостаточно. Количество восстановленного оксида графена необходимо выбирать между двумя противоположными требованиями. Больше материала на мембране означает лучшую электропроводность, но хуже светопропускание. Слишком тонкий слой остаётся прозрачным, но может быть недостаточно проводящим для нормального функционирования привода.
Исследователи экспериментировали с различными количествами rGO на мембране и одновременно измеряли электрические и оптические параметры. Результаты показали чёткий компромисс: увеличение массы rGO резко снижает сопротивление электрода, но уменьшает прозрачность. Именно равновесие между проводимостью и светопропусканием определяет применимость покрытия для регулируемой линзы.
После оптимизации параметров прозрачный электрод объединили с мягкой линзой и протестировали всю систему. Электрическое поле деформировало мембрану контролируемо, а изменение формы переводило фокус между объектами на разных расстояниях. Прототип подтвердил возможность размещения электростатического привода непосредственно под оптическим элементом без необходимости выносить управляющие электроды далеко от рабочей области.
Эта разработка относится к классу электроактивных полимеров. Такой материал меняет форму непосредственно под действием электрического импульса, поэтому отдельный электромотор для деформации линзы не требуется. Подобные материалы иногда сравнивают с искусственными мышцами: электроэнергия преобразуется прямо в механическое изменение формы без использования шестерней и моторизованного перемещения компонентов.
Отсутствие традиционного фокусировочного механизма представляет особый интерес для компактных оптических систем. В микроскопических медицинских приборах электромотор, направляющие и подвижный объектив могут занимать значительный объём внутри корпуса. Мягкий элемент позволяет менять фокус за счёт деформации самой линзы, значительно снижая количество механических компонентов.
Ещё одно возможное применение связано с автоматическим фокусом в камерах. Вместо передвижения оптического элемента электропривод может слегка менять его форму. Хотя исследование пока не представляет готовую замену объективам смартфонов или профессиональных фотокамер, оно подтверждает работоспособность принципа, необходимого для дальнейшего развития компактной электроуправляемой оптики. Учёные также видят потенциал в научных приборах, где традиционная фокусировочная система увеличивает массу, объём и стоимость.
Портативные дисплеи и гарнитуры виртуальной и дополненной реальности представляют ещё одну перспективную область применения. Разработчикам необходимо размещать оптические элементы близко к глазам пользователя при минимальном весе. Регулируемая мягкая линза может менять фокус без электромотора, который бы передвигал жёсткие компоненты. Авторы рассматривают это направление как многообещающее, но не как готовую коммерческую технологию.
Мягкий электропривод предоставляет ещё два практических преимущества. Деформация полимера происходит без вращающихся деталей, поэтому устройство работает тише, чем обычные моторизованные системы. Учёные также связывают эту технологию с возможностью уменьшить энергопотребление оптических приборов, хотя опубликованное исследование не демонстрирует энергетическое преимущество прототипа перед серийными камерами или другими коммерческими системами.
Перед практическим внедрением остаётся важное ограничение. Прозрачность электродов из восстановленного оксида графена в настоящее время недостаточна для многих оптических применений, поэтому исследователям необходимо повысить светопропускание, одновременно сохраняя необходимую проводимость. Эти две характеристики взаимосвязаны: увеличение количества rGO улучшает электрические свойства, но препятствует прохождению света.
Авторы выделяют ещё один значимый результат. Мягкую регулируемую линзу удалось создать, используя относительно простые методы производства и доступные материалы. Прототип доказал главный принцип: прозрачный растяжимый электрод можно разместить прямо в рабочей части электростатического привода и заставить линзу менять фокус при помощи электричества без громоздкого механизма передвижения. Следующий этап развития сосредоточится прежде всего на улучшении прозрачности графенового слоя и дальнейшей оптимизации его электрических параметров.
