Человеческий глаз постоянно меняет фокус и почти не требует от нас внимания. Несколько секунд назад человек читал мелкий текст, затем посмотрел на собеседника в другом конце комнаты, а потом перевёл взгляд на далёкий объект. Камерам и другим оптическим приборам для той же задачи обычно нужна механика, которая перемещает линзы. Новая мягкая линза предлагает другой способ: электрический сигнал слегка меняет её форму и тем самым перестраивает фокус.
Инженеры изготовили прозрачные электроды из восстановленного оксида графена и нанесли их непосредственно на эластичную мембрану под линзой. Небольшое электрическое поле растягивает мембрану, линза меняет кривизну и фокусируется на объекте, расположенном на другом расстоянии. Жёсткие детали при этом не требуется перемещать вдоль оптической оси.
Обычный объектив камеры решает задачу иначе. Для наведения резкости один или несколько жёстких оптических элементов перемещаются относительно матрицы и друг друга. Мотор, направляющие и другие детали занимают место, добавляют массу и усложняют конструкцию. Особенно заметной проблема становится в миниатюрных камерах, медицинской оптике и носимых устройствах, где внутри корпуса остаются считаные миллиметры свободного пространства.
Мягкие электрически управляемые линзы позволяют отказаться от перемещения жёсткой оптики. Электрическое поле деформирует эластичный материал, а изменение геометрии линзы меняет её оптические свойства. В новом прототипе растяжение происходит в радиальном направлении: мембрана расширяется, вместе с ней перестраивается форма линзы, после чего фокус смещается на другую дистанцию.
Главное препятствие скрывалось в электродах. Электростатическому приводу нужны проводящие слои, способные растягиваться вместе с мягкой мембраной. Многие подходящие материалы непрозрачны или пропускают слишком мало света. Если закрыть ими центральную часть линзы, прибор перестанет нормально формировать изображение.
Поэтому в прежних конструкциях электроды приходилось размещать по краям оптической системы, оставляя центральную область свободной для света. Такое расположение увеличивает размеры привода и ограничивает компоновку устройства. Чем сильнее разработчики пытаются уменьшить линзу, тем серьёзнее мешает необходимость разводить оптическую и электрическую части по разным участкам конструкции.
Проблему решили с помощью восстановленного оксида графена, сокращённо rGO. Оксид графена содержит кислородсодержащие группы и проводит электричество значительно хуже чистого графена. После химического или другого восстановления часть кислорода удаляется, проводимость возрастает. Материал при этом можно наносить очень тонким слоем, сохраняя способность пропускать видимый свет. Сам термин reduced graphene oxide широко принят в научной литературе.
Прозрачность позволила перенести проводящий слой из периферийной области прямо на эластичный привод под линзой. Электрод теперь растягивается вместе с мембраной и остаётся на одной оптической оси с линзой. Разработчикам больше не приходится увеличивать устройство только ради того, чтобы убрать непрозрачные проводники с пути света.
Однако одного тонкого слоя недостаточно. Количество восстановленного оксида графена приходится подбирать между двумя противоположными требованиями. Чем больше материала нанесено на мембрану, тем лучше электрод проводит ток, но тем меньше света проходит через него. Слишком прозрачный слой, наоборот, может оказаться недостаточно проводящим для нормальной работы привода.
В экспериментах исследователи меняли количество rGO на поверхности мембраны и измеряли одновременно электрические и оптические характеристики. Научная статья показывает прямой компромисс: при увеличении поверхностной плотности rGO сопротивление электрода резко уменьшается, но светопропускание тоже падает. Именно баланс между проводимостью и прозрачностью определяет пригодность покрытия для регулируемой линзы.
После подбора параметров прозрачный электрод объединили с мягкой линзой и проверили всю систему в работе. Электрическое поле деформировало мембрану контролируемым образом, а изменение формы переводило фокус между объектами на разных расстояниях. Прототип подтвердил, что электростатический привод можно разместить непосредственно под оптическим элементом и не выносить управляющие электроды далеко за пределы рабочей области.
Механизм относится к электроактивным полимерам. Материал меняет форму непосредственно под действием электрического сигнала, поэтому отдельный двигатель для деформации линзы не нужен. Подобные материалы иногда называют искусственными мышцами, однако инженерный смысл сравнения вполне конкретен: электрическая энергия превращается непосредственно в механическое изменение формы без системы шестерён и моторизованного перемещения линзы.
Отсутствие традиционного фокусировочного механизма особенно интересно для небольших оптических приборов. В миниатюрной медицинской системе визуализации двигатель, направляющие и подвижный объектив могут занимать значительную часть внутреннего пространства. Мягкий элемент позволяет менять фокус за счёт деформации самой линзы и уменьшить количество механических компонентов.
Ещё одно возможное применение связано с автофокусом камер. Вместо перемещения оптического элемента привод может слегка менять его кривизну. Исследование пока не показывает готовую замену объективам смартфонов или фотоаппаратов, но подтверждает работоспособность принципа, необходимого для дальнейшего уменьшения электрически регулируемой оптики. Авторы также рассматривают научные приборы, где механическая система фокусировки увеличивает массу, размеры и стоимость конструкции.
Носимые дисплеи и гарнитуры виртуальной и дополненной реальности относятся к другой возможной области применения. Разработчикам приходится размещать оптику на небольшом расстоянии от глаз и одновременно уменьшать массу устройства. Регулируемая мягкая линза способна менять фокус без двигателя, который перемещал бы жёсткие элементы внутри корпуса. Исследование рассматривает такую возможность как перспективное направление, а не как готовую коммерческую технологию.
Мягкий привод может дать ещё два практических преимущества. Деформация полимера проходит без вращающихся шестерён, поэтому механизм способен работать тише обычной моторизованной системы. Авторы также связывают технологию с возможностью снизить энергопотребление оптических устройств, хотя опубликованная работа не доказывает превосходство прототипа по расходу энергии над серийными камерами или другими готовыми системами.
До практического применения остаётся важное ограничение. Прозрачность электродов из восстановленного оксида графена пока недостаточна для многих оптических задач, поэтому разработчикам необходимо улучшить светопропускание и одновременно сохранить нужную проводимость. Две характеристики связаны между собой: увеличение количества rGO помогает электрической части, но мешает прохождению света.
Авторы считают важным и другой результат работы. Мягкую регулируемую линзу удалось изготовить с помощью сравнительно простых методов и недорогих материалов. Прототип подтвердил основной принцип: прозрачный растяжимый электрод можно поместить непосредственно в рабочую часть электростатического привода и заставить линзу менять фокус электрически без громоздкого механизма перемещения. Следующий этап разработки связан прежде всего с улучшением прозрачности графенового покрытия и дальнейшей настройкой его электрических характеристик.