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

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。

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

EGG系列液体的参数

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。

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