液體透鏡作為一種新型的自適應光學元件，近年來在成像技術領域引發了廣泛關注。相比傳統光學透鏡，液體透鏡具有動態調節焦距的能力，能夠實現大景深、廣視角、高速響應和高質量成像。然而，隨著液體透鏡在3D顯示、生物醫學成像、精密測量等領域的應用不斷拓展，其技術瓶頸也逐漸顯現。尤其是大口徑液體透鏡在高電壓驅動下容易發生電介質失效，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失效的物理化學機制，還通過優化導電液體配方，成功開發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。

研究背景與技術挑戰

液體透鏡的原理與優勢
液體透鏡的核心優勢在于其動態調節能力，這種能力主要依賴于電潤濕效應。電潤濕效應通過改變液體與固體表面的接觸角來調節液體的曲率，從而實現焦距的動態調節。液體透鏡因其小型化、低功耗、快速響應和大變焦范圍等優點，被廣泛應用于生物醫學檢測、3D顯示、3D重建等領域。

現有技術的瓶頸
然而，隨著液體透鏡口徑的增大，電介質層和疏水層的面積顯著增加，導致三相接觸線延長，液體的化學穩定性要求更高。傳統水基導電液體在高電壓下容易發生電解反應，產生氣泡和局部損壞，進一步加劇了電介質失效的風險。這種失效現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中的應用。

大口徑液體透鏡的挑戰
研究團隊指出，現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反應不可避免，這使得液體透鏡的可靠性難以提升。為了突破這一瓶頸，研究團隊從物理化學的角度出發，分析了電解質溶液的傳輸特性和電化學反應速率，提出了一種通過優化導電液體成分來抑制電介質失效的理論方法。

技術創新與應用
電介質失效的物理化學機制

研究團隊通過理論分析，揭示了電介質失效的物理化學機制。他們發現，電介質失效的主要原因是導電液體在高電壓下與電極接觸后發生的電化學反應。這種反應會導致液體分解，產生氣泡和局部損壞，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

非水基導電液體的設計思路
為了抑制這種失效現象，研究團隊提出了一種基于非水基導電液體的設計思路。他們開發了一系列名為“EGG系列”的非水基導電液體。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。通過調整EG的濃度，研究團隊成功優化了液體的導電性、表面張力、密度和折射率等物理特性。

EGG系列液體的參數

厘米級大口徑液體透鏡的制造
基于這種導電液體，研究團隊制造了一種口徑為10毫米的液體透鏡。這種透鏡在200伏高電壓下仍能穩定運行，未出現電介質失效現象。透鏡的光學功率變化能夠實現大范圍的焦距調節，同時保持高質量的成像效果。

常規電潤濕裝置的示意圖和電潤濕接觸角測量的結果

成像實驗與結果分析
變焦相機系統的實驗設計
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，通過改變施加電壓，實現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

實驗結果與性能分析
實驗結果顯示，EGG-60液體透鏡在0伏至70伏的電壓范圍內，能夠實現278毫米的變焦范圍，遠超傳統水基液體透鏡。此外，EGG系列液體透鏡在高電壓下表現出優異的穩定性和成像性能，能夠滿足3D顯示和生物醫學成像的需求。

全息3D顯示系統的應用
團隊還將EGG-60液體透鏡應用于全息3D顯示系統。實驗表明，與商業化的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生，并提供更高的圖像質量和更豐富的細節。例如，在重建“花”和“鹿”的3D圖像時，EGG-60透鏡能夠清晰地再現物體的邊緣和細節，而商業化透鏡則無法完整重建這些細節。

應用實驗系統和實驗結果

總結與展望
這項研究通過揭示電介質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，成功開發出一種厘米級大口徑液體透鏡。這種透鏡在高電壓下表現出優異的穩定性和成像性能，為液體透鏡在3D顯示、生物醫學成像等領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，液體透鏡的技術性能有望進一步提升。例如，通過優化導電液體的配方，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。

論文信息
聲明：本文僅用作學術目的。
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.