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
液體透鏡作為一種新型的自適應(yīng)光學(xué)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(xué)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(yīng)和高質(zhì)量成像。然而，隨著液體透鏡在3D顯示、生物醫(yī)學(xué)成像、精密測量等領(lǐng)域的應(yīng)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(dǎo)致透鏡性能下降甚至損壞。這一問題嚴(yán)重限制了液體透鏡在高端光學(xué)成像系統(tǒng)中的應(yīng)用。
近日，北京航空航天大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)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(xiàng)研究不僅揭示了電介質(zhì)失效的物理化學(xué)機(jī)制，還通過優(yōu)化導(dǎo)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)
液體透鏡的核心優(yōu)勢在于其動態(tài)調(diào)節(jié)能力，這種能力主要依賴于電潤濕效應(yīng)。電潤濕效應(yīng)通過改變液體與固體表面的接觸角來調(diào)節(jié)液體的曲率，從而實(shí)現(xiàn)焦距的動態(tài)調(diào)節(jié)。液體透鏡因其小型化、低功耗、快速響應(yīng)和大變焦范圍等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)檢測、3D顯示、3D重建等領(lǐng)域。
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(dǎo)致三相接觸線延長，液體的化學(xué)穩(wěn)定性要求更高。傳統(tǒng)水基導(dǎo)電液體在高電壓下容易發(fā)生電解反應(yīng)，產(chǎn)生氣泡和局部損壞，進(jìn)一步加劇了電介質(zhì)失效的風(fēng)險(xiǎn)。這種失效現(xiàn)象不僅影響透鏡的光學(xué)性能，還可能導(dǎo)致透鏡完全損壞，嚴(yán)重限制了液體透鏡在高端光學(xué)成像系統(tǒng)中的應(yīng)用。
研究團(tuán)隊(duì)指出，現(xiàn)有研究多集中于水基溶液，但水基溶液在高電壓下的電化學(xué)反應(yīng)不可避免，這使得液體透鏡的可靠性難以提升。為了突破這一瓶頸，研究團(tuán)隊(duì)從物理化學(xué)的角度出發(fā)，分析了電解質(zhì)溶液的傳輸特性和電化學(xué)反應(yīng)速率，提出了一種通過優(yōu)化導(dǎo)電液體成分來抑制電介質(zhì)失效的理論方法。
技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用
電介質(zhì)失效的物理化學(xué)機(jī)制
研究團(tuán)隊(duì)通過理論分析，揭示了電介質(zhì)失效的物理化學(xué)機(jī)制。他們發(fā)現(xiàn)，電介質(zhì)失效的主要原因是導(dǎo)電液體在高電壓下與電極接觸后發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)。這種反應(yīng)會導(dǎo)致液體分解，產(chǎn)生氣泡和局部損壞，從而破壞透鏡的光學(xué)性能。
抑制介電失效的導(dǎo)電液體的制備原理
非水基導(dǎo)電液體的設(shè)計(jì)思路為了抑制這種失效現(xiàn)象，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于非水基導(dǎo)電液體的設(shè)計(jì)思路。他們開發(fā)了一系列名為“EGG系列”的非水基導(dǎo)電液體。這些液體以丙三醇（TMG）和乙二醇（EG）為溶劑，四丁基氯化銨（TBAC）為溶質(zhì)。通過調(diào)整EG的濃度，研究團(tuán)隊(duì)成功優(yōu)化了液體的導(dǎo)電性、表面張力、密度和折射率等物理特性。
EGG系列液體的參數(shù)
厘米級大口徑液體透鏡的制造基于這種導(dǎo)電液體，研究團(tuán)隊(duì)制造了一種口徑為10毫米的液體透鏡。這種透鏡在200伏高電壓下仍能穩(wěn)定運(yùn)行，未出現(xiàn)電介質(zhì)失效現(xiàn)象。透鏡的光學(xué)功率變化能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍的焦距調(diào)節(jié)，同時保持高質(zhì)量的成像效果。
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(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析
變焦相機(jī)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
為了驗(yàn)證EGG系列液體透鏡的性能，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一系列成像實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，液體透鏡被應(yīng)用于一個變焦相機(jī)系統(tǒng)，通過改變施加電壓，實(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與性能分析
實(shí)驗(yàn)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(yuǎn)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(xué)成像的需求。
全息3D顯示系統(tǒng)的應(yīng)用
團(tuán)隊(duì)還將EGG-60液體透鏡應(yīng)用于全息3D顯示系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)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(xì)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(xì)節(jié)，而商業(yè)化透鏡則無法完整重建這些細(xì)節(jié)。
應(yīng)用實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果
總結(jié)與展望
這項(xiàng)研究通過揭示電介質(zhì)失效的物理化學(xué)機(jī)制，提出了一種基于非水基導(dǎo)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(xué)成像等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的可能性。隨著材料科學(xué)和制造工藝的進(jìn)步，液體透鏡的技術(shù)性能有望進(jìn)一步提升。例如，通過優(yōu)化導(dǎo)電液體的配方，可以進(jìn)一步提高透鏡的響應(yīng)速度和耐久性；通過改進(jìn)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。
聲明：本文僅用作學(xué)術(shù)目的。
Zhao YR, Li ZS, Zheng Y, Wang D, Lu XK, Lin YC, Zhang HR, Liu C, Wang QH. Non-aqueous electrowetting liquid lens with centimeter-level large aperture based on dielectric failure suppression principle. Light Sci Appl. 2025 Mar 12;14(1):120.
DOI:10.1038/s41377-025-01777-2.
