Прагнення до предельної мініатюризації оптичних систем тривалий час стикалося з фундаментальними фізичними обмеженнями механічного автофокусу. Традиційні архітектури покладаються на громіздкі актуатори та складні системи лінз, що суттєво гальмує еволюцію носимої електроніки та високоточних медичних сенсорів. Рішення, розроблене дослідниками з Лондонського університету королеви Марії, пропонує радикальну зміну парадигми на користь біоміметичного підходу. Створення «живої» лінзи, що керується електричним полем, відкриває шлях до появи пристроїв, де оптика стає гнучкою та безшовно інтегрованою в систему.
Сучасні системи автофокусування в камерах — це складні інженерні конструкції, де точність досягається шляхом переміщення скляних елементів за допомогою мікромоторів. Цей підхід, попри свою ефективність, залишається механічно надлишковим і займає значний об’єм. Альтернативою стає концепція адаптивної оптики, здатної змінювати свої характеристики без використання рухомих частин, імітуючи роботу людського кришталика.
В основі нової розробки лежить діелектричний еластомерний актуатор (DEA). Конструктивно це тонка полімерна мембрана, яка перебуває у стані попереднього розтягування та затиснута між двома електродами. Коли на систему подається електрична напруга, виникають електростатичні сили, що стискають мембрану. Це призводить до зміни кривизни поверхні лінзи, що безпосередньо впливає на її фокусну відстань.
Ключовим технологічним викликом став вибір матеріалу для електродів. Вони мають бути одночасно прозорими, щоб не блокувати світло, та еластичними, щоб деформуватися разом із полімером, не втрачаючи провідності. Рішенням став відновлений оксид графену (rGO). Графен, завдяки своїй атомарній товщині та унікальним електронним властивостям, дозволив створити електроди, які наносяться методом напилення безпосередньо на поверхню еластомера.
Інженерний процес вимагав витонченого балансу між трьома критичними параметрами: електропровідністю, прозорістю та механічною гнучкістю. Дослідники експериментували з товщиною шару rGO в діапазоні від 50 до 80 нм. Було встановлено, що збільшення кількості матеріалу суттєво знижує поверхневий опір, але водночас призводить до падіння світлопропускання на довжині хвилі 550 нм — з 42% до 17%.
Оптимальним компромісом став прототип із прозорістю близько 32%. При напруженості електричного поля у 50 В/мкм така конфігурація забезпечувала зміну площі мембрани приблизно на 10%. У результаті інтеграції цієї системи з еластичною лінзою вдалося досягти зміни фокусної відстані з 30,1 до 36 мм.
Попри те що технологія поки перебуває на стадії лабораторного прототипу і потребує подальшої оптимізації прозорості електродів, її потенціал колосальний. Повна відмова від механіки та моторів дозволяє проєктувати безшумні та надлегкі системи фокусування. Це може призвести до якісного стрибка у створенні AR/VR-дисплеїв нового покоління, мініатюрних ендоскопів для медицини та компактних камер, архітектура яких буде набагато ближчою до біологічного ока, ніж до традиційного об’єктива.
Технологія надлегких лінз нового покоління
