Британские учёные создали «живую» линзу с электрической фокусировкой на основе графена

Инженеры Лондонского университета королевы Марии (Queen Mary University of London) разработали компактную мягкую линзу, способную менять фокусное расстояние под действием электрического поля без электродвигателей и какой-либо механики. Основой конструкции стали прозрачные растягивающиеся электроды из восстановленного оксида графена (rGO) на эластичной подложке. Такая оптика сродни живому глазу, что может привести к прорыву в носимой электронике, медицинских приборах и AR/VR-гарнитурах.

Принцип работы: имитация живого глаза

Современная оптика с автофокусом в камерах достаточно сложна и громоздка — для фокусировки приходится перемещать линзы или другие элементы. Человеческий глаз работает иначе: хрусталик меняет форму, благодаря чему мы можем быстро переводить взгляд с близких предметов на дальние. Британские ученые воспроизвели этот принцип в компактном устройстве.

В основе устройства лежит диэлектрический эластомерный актуатор (DEA) — предварительно растянутая тонкая полимерная мембрана, зажатая между электродами, способными деформироваться под воздействием электрического поля. При подаче напряжения электростатические силы сжимают мембрану таким образом, что меняют её кривизну и, следовательно, фокусировку. Вместо двигателей и шестеренок электрически активные полимеры работают подобно искусственным мышцам, плавно и бесшумно меняя форму в ответ на электрические сигналы.

Роль графена: решение проблемы прозрачности

Такой подход уже применялся в адаптивных линзах, но у подобных устройств была проблема. Электроды, необходимые для управления деформацией, обычно располагаются по краям или частично перекрывают оптическую область. Если материал непрозрачный, он мешает прохождению света и ограничивает применение технологии в оптике.

Команда Джеймса Басфилда решила эту проблему с помощью восстановленного оксида графена. Этот материал одновременно проводит электричество и пропускает свет, поэтому тонкий электрод можно разместить непосредственно на мягком элементе, который управляет формой линзы. Электроды изготавливаются распылением rGO непосредственно на поверхность эластомера. Толщина их слоя варьируется от 50 до 80 нм.

Технические характеристики прототипа

Исследователи экспериментально подбирали количество графена на мембране. Его должно быть достаточно для эффективного управления линзой, но не настолько много, чтобы заметно ухудшить прозрачность. При увеличении количества материала поверхностное сопротивление снижалось в десятки раз, однако одновременно падала прозрачность линзы на длине волны 550 нм (примерно с 42 до 17 %).

Для прототипа привода выбрали плотность электрода, при которой он пропускал примерно 32 % света и обеспечивал изменение площади мембраны примерно на 10 % при напряжённости электрического поля 50 В/мкм. Когда к приводу добавили эластичную линзу, он смог изменить её фокусное расстояние с 30,1 до 36 мм. Работа опубликована в журнале Advanced Functional Materials.

Перспективы применения

Отсутствие моторов и механики потенциально позволяет создавать более тонкие, лёгкие и бесшумные системы автофокусировки. По словам первого автора исследования Джакомо Сассо, в будущем аналогичная технология может найти применение в камерах с автофокусом, носимых дисплеях, гарнитурах виртуальной и дополненной реальности, миниатюрных медицинских системах визуализации и научных приборах, где традиционные механизмы фокусировки увеличивают вес, сложность или стоимость.

Для гарнитур виртуальной и дополненной реальности компактная адаптивная оптика также может быть полезна — в таких устройствах приходится размещать оптические компоненты в ограниченном пространстве, поэтому уменьшение количества механических деталей потенциально позволяет сделать конструкцию легче и проще. Небольшой размер и отсутствие сложной механики могут оказаться особенно полезными там, где каждый миллиметр и грамм имеет значение: в миниатюрных медицинских устройствах, автофокусных камерах и носимой электронике.

Текущий статус и дальнейшие планы

Пока разработка остаётся лабораторным прототипом, причём исследователям ещё предстоит повысить прозрачность электродов и оптимизировать характеристики устройства. Однако эксперимент показал, что мягкой линзой действительно можно управлять электрически, изменяя её форму без традиционного механизма фокусировки. По словам второго автора работы Алека Ламоро, полученные результаты показывают, что мягкие линзы с электрической настройкой можно создавать с помощью простых производственных технологий и недорогих материалов.