液體透鏡作為一種新型的自適應光學元件，近年來在成像技術(shù)領(lǐng)域引發(fā)了廣泛關(guān)注。相比傳統(tǒng)光學透鏡，液體透鏡具有動態(tài)調(diào)節(jié)焦距的能力，能夠?qū)崿F(xiàn)大景深、廣視角、高速響應和高質(zhì)量成像。然而，隨著液體透鏡在3D顯示、生物醫(yī)學成像、精密測量等領(lǐng)域的應用不斷拓展，其技術(shù)瓶頸也逐漸顯現(xiàn)。尤其是大口徑液體透鏡在高電壓驅(qū)動下容易發(fā)生電介質(zhì)失效，導致透鏡性能下降甚至損壞。這一問題嚴重限制了液體透鏡在高端光學成像系統(tǒng)中的應用。

近日，北京航空航天大學的研究團隊提出了一種基于電介質(zhì)失效抑制原理的非水基電潤濕液體透鏡。這項研究不僅揭示了電介質(zhì)失效的物理化學機制，還通過優(yōu)化導電液體配方，成功開發(fā)出一種厘米級大口徑液體透鏡，解決了大口徑液體透鏡在高電壓下的可靠性問題。

研究背景與技術(shù)挑戰(zhàn)

現(xiàn)有技術(shù)的瓶頸
然而，隨著液體透鏡口徑的增大，電介質(zhì)層和疏水層的面積顯著增加，導致三相接觸線延長，液體的化學穩(wěn)定性要求更高。傳統(tǒng)水基導電液體在高電壓下容易發(fā)生電解反應，產(chǎn)生氣泡和局部損壞，進一步加劇了電介質(zhì)失效的風險。這種失效現(xiàn)象不僅影響透鏡的光學性能，還可能導致透鏡完全損壞，嚴重限制了液體透鏡在高端光學成像系統(tǒng)中的應用。

研究團隊通過理論分析，揭示了電介質(zhì)失效的物理化學機制。他們發(fā)現(xiàn)，電介質(zhì)失效的主要原因是導電液體在高電壓下與電極接觸后發(fā)生的電化學反應。這種反應會導致液體分解，產(chǎn)生氣泡和局部損壞，從而破壞透鏡的光學性能。

抑制介電失效的導電液體的制備原理

EGG系列液體的參數(shù)

常規(guī)電潤濕裝置的示意圖和電潤濕接觸角測量的結(jié)果

成像實驗與結(jié)果分析
變焦相機系統(tǒng)的實驗設計
為了驗證EGG系列液體透鏡的性能，研究團隊設計了一系列成像實驗。實驗中，液體透鏡被應用于一個變焦相機系統(tǒng)，通過改變施加電壓，實現(xiàn)了對不同距離物體的聚焦。

基于介電失效抑制原理的厘米級大口徑非水電潤濕透鏡的概念圖和樣品

實驗結(jié)果與性能分析
實驗結(jié)果顯示，EGG-60液體透鏡在0伏至70伏的電壓范圍內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)278毫米的變焦范圍，遠超傳統(tǒng)水基液體透鏡。此外，EGG系列液體透鏡在高電壓下表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性和成像性能，能夠滿足3D顯示和生物醫(yī)學成像的需求。

全息3D顯示系統(tǒng)的應用
團隊還將EGG-60液體透鏡應用于全息3D顯示系統(tǒng)。實驗表明，與商業(yè)化的3.9毫米口徑液體透鏡相比，EGG-60液體透鏡能夠顯著減少雜散光的產(chǎn)生，并提供更高的圖像質(zhì)量和更豐富的細節(jié)。例如，在重建“花”和“鹿”的3D圖像時，EGG-60透鏡能夠清晰地再現(xiàn)物體的邊緣和細節(jié)，而商業(yè)化透鏡則無法完整重建這些細節(jié)。

應用實驗系統(tǒng)和實驗結(jié)果

總結(jié)與展望
這項研究通過揭示電介質(zhì)失效的物理化學機制，提出了一種基于非水基導電液體的解決方案，成功開發(fā)出一種厘米級大口徑液體透鏡。這種透鏡在高電壓下表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性和成像性能，為液體透鏡在3D顯示、生物醫(yī)學成像等領(lǐng)域的應用提供了新的可能性。隨著材料科學和制造工藝的進步，液體透鏡的技術(shù)性能有望進一步提升。例如，通過優(yōu)化導電液體的配方，可以進一步提高透鏡的響應速度和耐久性；通過改進電介質(zhì)層和疏水層的制備工藝，可以降低透鏡的制造成本并提高其可靠性。

DOI:10.1038/s41377-025-01777-2.