液体透镜作为一种新型的自适应光学元件，近年来在成像技术领域引发了广泛关注。相比传统光学透镜，液体透镜具有动态调节焦距的能力，能够实现大景深、广视角、高速响应和高质量成像。然而，随着液体透镜在3D显示、生物医学成像、精密测量等领域的应用不断拓展，其技术瓶颈也逐渐显现。尤其是大口径液体透镜在高电压驱动下容易发生电介质失效，导致透镜性能下降甚至损坏。这一问题严重限制了液体透镜在高端光学成像系统中的应用。

近日，北京航空航天大学的研究团队提出了一种基于电介质失效抑制原理的非水基电润湿液体透镜。这项研究不仅揭示了电介质失效的物理化学机制，还通过优化导电液体配方，成功开发出一种厘米级大口径液体透镜，解决了大口径液体透镜在高电压下的可靠性问题。

研究背景与技术挑战

液体透镜的原理与优势
液体透镜的核心优势在于其动态调节能力，这种能力主要依赖于电润湿效应。电润湿效应通过改变液体与固体表面的接触角来调节液体的曲率，从而实现焦距的动态调节。液体透镜因其小型化、低功耗、快速响应和大变焦范围等优点，被广泛应用于生物医学检测、3D显示、3D重建等领域。

现有技术的瓶颈
然而，随着液体透镜口径的增大，电介质层和疏水层的面积显著增加，导致三相接触线延长，液体的化学稳定性要求更高。传统水基导电液体在高电压下容易发生电解反应，产生气泡和局部损坏，进一步加剧了电介质失效的风险。这种失效现象不仅影响透镜的光学性能，还可能导致透镜完全损坏，严重限制了液体透镜在高端光学成像系统中的应用。

大口径液体透镜的挑战
研究团队指出，现有研究多集中于水基溶液，但水基溶液在高电压下的电化学反应不可避免，这使得液体透镜的可靠性难以提升。为了突破这一瓶颈，研究团队从物理化学的角度出发，分析了电解质溶液的传输特性和电化学反应速率，提出了一种通过优化导电液体成分来抑制电介质失效的理论方法。

技术创新与应用
电介质失效的物理化学机制

研究团队通过理论分析，揭示了电介质失效的物理化学机制。他们发现，电介质失效的主要原因是导电液体在高电压下与电极接触后发生的电化学反应。这种反应会导致液体分解，产生气泡和局部损坏，从而破坏透镜的光学性能。

抑制介电失效的导电液体的制备原理

非水基导电液体的设计思路
为了抑制这种失效现象，研究团队提出了一种基于非水基导电液体的设计思路。他们开发了一系列名为“EGG系列”的非水基导电液体。这些液体以丙三醇（TMG）和乙二醇（EG）为溶剂，四丁基氯化铵（TBAC）为溶质。通过调整EG的浓度，研究团队成功优化了液体的导电性、表面张力、密度和折射率等物理特性。

EGG系列液体的参数

厘米级大口径液体透镜的制造
基于这种导电液体，研究团队制造了一种口径为10毫米的液体透镜。这种透镜在200伏高电压下仍能稳定运行，未出现电介质失效现象。透镜的光学功率变化能够实现大范围的焦距调节，同时保持高质量的成像效果。

常规电润湿装置的示意图和电润湿接触角测量的结果

成像实验与结果分析
变焦相机系统的实验设计
为了验证EGG系列液体透镜的性能，研究团队设计了一系列成像实验。实验中，液体透镜被应用于一个变焦相机系统，通过改变施加电压，实现了对不同距离物体的聚焦。

基于介电失效抑制原理的厘米级大口径非水电润湿透镜的概念图和样品

实验结果与性能分析
实验结果显示，EGG-60液体透镜在0伏至70伏的电压范围内，能够实现278毫米的变焦范围，远超传统水基液体透镜。此外，EGG系列液体透镜在高电压下表现出优异的稳定性和成像性能，能够满足3D显示和生物医学成像的需求。

全息3D显示系统的应用
团队还将EGG-60液体透镜应用于全息3D显示系统。实验表明，与商业化的3.9毫米口径液体透镜相比，EGG-60液体透镜能够显著减少杂散光的产生，并提供更高的图像质量和更丰富的细节。例如，在重建“花”和“鹿”的3D图像时，EGG-60透镜能够清晰地再现物体的边缘和细节，而商业化透镜则无法完整重建这些细节。

应用实验系统和实验结果

总结与展望
这项研究通过揭示电介质失效的物理化学机制，提出了一种基于非水基导电液体的解决方案，成功开发出一种厘米级大口径液体透镜。这种透镜在高电压下表现出优异的稳定性和成像性能，为液体透镜在3D显示、生物医学成像等领域的应用提供了新的可能性。随着材料科学和制造工艺的进步，液体透镜的技术性能有望进一步提升。例如，通过优化导电液体的配方，可以进一步提高透镜的响应速度和耐久性；通过改进电介质层和疏水层的制备工艺，可以降低透镜的制造成本并提高其可靠性。

论文信息
声明：本文仅用作学术目的。
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.