Des lentilles “intelligentes” dont l’astigmatisme est contrôlé électriquement

Depuis vingt ans de nombreux systèmes ont été proposés pour obtenir des objectifs à distance focale accordable. Outre les dispositifs conventionnels à moteurs, plusieurs autres furent proposés dont celui à électro-mouillage (cf le blog des sciences  du 17 Mars 2011) qui équipe la plupart des appareils photographiques dont sont munis nos téléphones portables. Des chercheurs de la Queen Mary University of London, London, UK,  de l’Imperial College, London, UK, de l’University of Ulster, Belfast, UK, de l’Université de Florence, Florence, Italie et de la School of Physical and Mathematical Sciences, NTU Singapore, Singapore, proposent de nouvelles lentilles solides (faites en élastomères) permettant  électriquement un contrôle complet non seulement de la mise au point (focalisation), mais encore de l’astigmatisme.

L’astigmatisme est un défaut des systèmes optiques ne donnant pas d’un point une image ponctuelle mais une image étalée selon une droite perpendiclaire à l’axe optique. L’œil peut présenter ce défaut; on le repère par sa projection sur un axe horizontal et un axe vertical.

Ce défaut est dû à une anomalie de sphéricité de la cornée et du cristallin. La courbure n’étant pas la même verticalement et horizontalement on a un étalement de l’image du point avec des distances focales différentes.
Des lentilles peuvent présenter ce défaut, Elles peuvent aussi parfois compenser celui de l’œil.

Wikimedia Commons. Optique louvet. myopia.jpg

Le procédé est basé sur l’utilisation d’actuateurs élastomères diélectriques. Ils sont déjà utilisés pour la réalisation de muscles artificiels. Ils se présentent principalement sous la forme de condensateurs élastiques qui peuvent se déformer sous l’effet d’un champ électrique. Ce sont de simples membranes en élastomère recouvertes sur leurs deux faces d’un matériau conducteur constituant les électrodes.
Cela avait déjà permis d’obtenir des lentilles accordables très rapides, avec un temps de réponse de l’ordre de 175 µs.

Le nouveau dispositif

Le nouveau dispositif présente l’avantage de pouvoir à la fois varier la distance focale mais encore de contrôler la géométrie plane de la lentille et ainsi de corriger un astigmatisme ou au contraire en introduire.

Il consiste en une lentille plan convexe en élastomère silicone (polydiméthylsiloxane, le PMDS) collée à l’intérieur d’un anneau en élastomère diélectrique actuateur. Sur une face de l’actuateur est imprimée une électrode divisée en quatre segments (numérotés de S1 à S4 sur la figure 1), sur l’autre face l’électrode commune de référence.

Ceci permet de contrôler l’astigmatisme selon deux axes perpendiculaires (x et y). En activant des électrodes opposées (par exemple S1 et S3), la lentille sera pressée le long de la direction des deux segments activés.

Si on active simultanément de la même façon les 4 segments, la compression radiale dans toutes les directions de la lentille augmentera sa courbure et réduira donc sa distance focale.
Pour certaines combinaisons de tensions appliquées aux électrodes, la lentille en PDMS subit non seulement un changement de courbure mais aussi peut voir sa forme passer de plan convexe à celle d’un ménisque comme on le voit Fig.1B.

Le prototype de la Fig.1 a un diamètre de 1,25 mm, celui des électrodes de commandes est de 43 mm.

Fig.1. La lentille et ses divers modes d'opération A)Schéma montrant les 4 segments S1-4 entourant la lentille central en élastomère. B) Vue en section latérale de la membrane figurant l'activation électrique de segments qui pressent la lentille, l'écartant du plan initial et changeant sa courbure. C) Photo d'une lentille prototype. Un dessin de grille est visible agrandi et déformé à travers la lentille car celle-ci est inclinée par rapport au plan de la grille. D) Une activation simultanée des 4 segments actuateurs entraîne une compression radiale uniforme de la lentille. E–F) Une activation parallèle de segments opposés presse la lentille selon un seul axe. Tiré de Smart Lenses with Electrically Tuneable Astigmatism Michele Ghilardi, Hugh Boys, Peter Török, James J. C. Busfield & Federico Carpi Scientific Reports | (2019) 9:16127 | https://doi.org/10.1038/s41598-019-52168-8 Creative Commons Attribution 4.0

Fig.1. La lentille et ses divers modes d’opération
A) Schéma montrant les 4 segments S1-4 entourant la lentille central en élastomère.
B) Vue en section latérale de la membrane figurant l’activation électrique de segments qui pressent la lentille, l’écartant du plan initial et changeant sa courbure.
C) Photo d’une lentille prototype. Un dessin de grille est visible agrandi et déformé à travers la lentille car celle-ci est inclinée par rapport au plan de la grille.
D) Une activation simultanée des 4 segments entraîne une compression radiale uniforme de la lentille.
E–F) Une activation parallèle de segments opposés presse la lentille selon un seul axe.
Tiré de Smart Lenses with Electrically Tuneable Astigmatism
Michele Ghilardi, Hugh Boys, Peter Török, James J. C. Busfield & Federico Carpi
Scientific Reports | (2019) 9:16127 | https://doi.org/10.1038/s41598-019-52168-8 Creative Commons Attribution 4.0

 

La méthode de fabrication

Les étapes de la fabrication sont schématisées sur la figure 2. Le PDMS est utilisé à la fois pour la lentille et pour la membrane actuatrice car les silicones ont, par rapport aux élastomères comme le polyuréthane et les acryliques, moins de pertes viscoélastiques, une plus grande stabilité et de plus grandes vitesses de réponse.

Les électrodes déformables  sont faites de PDMS chargé en noir de carbone. La lentille est obtenue en coulant le PDMS dans une lentille concave en verre utilisée comme moule.

Fig. 2. Procédé de fabrication des lentilles intelligentes A)On étire radialement une membrane en PDMS. B) Un mélange de précurseur liquide de PDMS et de noir de carbone est pulvérisé sur la membrane à travers un masque pour obtenir les 4 électrodes, on répète le processus avec un masque différent sur l'autre face de la membrane pour l'électrode de référence. C) Le matériau des électrodes est polymérisé dans un four, ce qui achève la fabrication de l'actuateur. D) Un prépolymère liquide de PDMS est versé dans le moule formé par une lentille concave en verre. E) Les bulles d'air en sont extraites dans un enceinte à vide. F) La membrane munie de ses électrodes est mise en contact avec le prépolymère liquide du moule et on aligne le tout. G) L'ensemble est placé dans un four pour la polymérisation du PDMS dans le moule. On obtient ainsi une lentille solide et déformable attachée à la membrane actuatrice. H) La lentille est démoulée et le dispositif est installé dans un cadre rigide à l'aide de vis qui servent de contacts électriques. Tiré de Smart Lenses with Electrically Tuneable Astigmatism Michele Ghilardi, Hugh Boys, Peter Török, James J. C. Busfield & Federico Carpi Scientific Reports | (2019) 9:16127 | https://doi.org/10.1038/s41598-019-52168-8 Creative Commons Attribution 4.0

Fig. 2. Procédé de fabrication des lentilles intelligentes
A) On étire radialement une membrane en PDMS.
B) Un mélange de précurseur liquide de PDMS et de noir de carbone est pulvérisé sur la membrane à travers un masque pour obtenir les 4 électrodes, on répète le processus avec un masque différent sur l’autre face de la membrane pour l’électrode de référence.
C) Le matériau des électrodes est polymérisé dans un four, ce qui achève la fabrication de l’actuateur.
D) Un prépolymère liquide de PDMS est versé dans le moule formé par une lentille concave en verre.
E) Les bulles d’air en sont extraites dans un enceinte à vide.
F) La membrane munie de ses électrodes est mise en contact avec le prépolymère liquide du moule et on aligne le tout.
G) L’ensemble est placé dans un four pour la polymérisation du PDMS dans le moule. On obtient ainsi une lentille solide et déformable attachée à la membrane actuatrice.
H) La lentille est démoulée et le dispositif est installé dans un cadre rigide à l’aide de vis qui servent de contacts électriques.
Tiré de Smart Lenses with Electrically Tuneable Astigmatism
Michele Ghilardi, Hugh Boys, Peter Török, James J. C. Busfield & Federico Carpi
Scientific Reports | (2019) 9:16127 | https://doi.org/10.1038/s41598-019-52168-8 Creative Commons Attribution 4.0

 

Les déformations électriques le long d’une direction (S1S3 ou S2S4) entraînent des variations d’astigmatisme vertical ou horizontal. Au contraire, les déformations radiales n’ont pas d’influence sur l’astigmatisme. mais modifient la focalisation (mise au point).

 

Sur la vidéo suivante, on voit l’effet du contrôle de l’astigmatisme par la lentille.
Des signaux sinusoïdaux de fréquence 0,3 Hz sont appliqués sur les 2 paires d’électrodes  S1S3 et S2S4 avec un déphasage de ϖ. La lentille passe graduellement du mode S1S3 au mode S2S4 et vice-versa. Ceci crée un brouillage directionnel de l’image de la verticale à l’horizontale. On l’observe bien sur cette image de zèbres.

Tiré de Smart Lenses with Electrically Tuneable Astigmatism
Michele Ghilardi, Hugh Boys, Peter Török, James J. C. Busfield  & Federico Carpi
Scientific Reports | (6 november 2019) 9:16127 | https://doi.org/10.1038/s41598-019-52168-8 Sup. Inf. Creative Commons Attribution 4.0.