基于电润湿可调液体孔径的自适应复眼成像装置实现大视场与动态成像突破

这篇研究创新性地提出了一种基于电润湿效应（electrowetting）的可调液体孔径自适应复眼（ACE）成像装置，通过非机械驱动方式实现孔径形状的快速调控（最快响应时间274 ms），兼具大视场（FOV）和自适应成像能力。该装置可形成直径0-5.07 mm的类圆形孔径（最大纵横比9.5），实现光照强度适应性和透射信息频率选择性，在机器视觉、检测测量等领域具有重要应用价值。

　　

【1 引言】

自然界中昆虫复眼的多孔径结构具有大视场（FOV）优势，但传统仿生复眼装置存在不可调节的局限性。研究团队受人类和猫眼可调瞳孔启发，创新性地将电润湿液体光学技术引入复眼系统。相比需要机械驱动的传统调节方式，电润湿技术通过电压控制液体界面张力，可实现无机械部件、快速响应（毫秒级）的孔径调控。

【2 结果】

2.1 ACE成像装置原理

装置采用3×3成像单元阵列，每个单元包含四电极液体孔径和补偿透镜。通过电压调控，孔径可变形为类圆形（直径0-5.07 mm）或细长形（最大纵横比9.5）。理论分析表明，圆形孔径通过直径变化调节进光量（公式1），而细长孔径通过光学传递函数（OTF）产生方向性频率选择效应（公式2-3），实现目标与背景分离。

2.2 驱动机制

液体孔径采用导电/绝缘双液体体系，在四电极调控下形成稳定三相接触线。电润湿效应使接触角随电压变化（公式4-5），实现孔径收缩（水平/垂直电极同压）或伸长（对角电极加压）。配套液体透镜通过界面曲率变化补偿焦点漂移，实现焦距独立调控。

2.3 装置性能

原型机测试显示：类圆形孔径直径可调范围1.53-5.07 mm（30V驱动），响应时间393-582 ms；细长孔径水平/垂直尺寸分别达8.00/0.84 mm（70V驱动），响应时间274-455 ms。液体透镜光学功率调节范围35.0-47.1 D（100V驱动），响应时间82-85 ms。

2.4 光强适应性实验

在760-1700 lx照度变化下，通过孔径收缩成功消除过曝光现象。分布式控制验证显示，装置可针对局部强光区域（1700 lx）独立调节对应成像单元，使九宫格测试图案均获得清晰成像。

2.5 频率选择性实验

采用垂直条纹背景（0.2 mm线宽）与表情符号目标，证实水平细长孔径可有效抑制垂直方向高频背景信息。通过各单元独立调控，实现了目标背景混叠/分离的可编程切换，展现出信息加密应用潜力。

【3 讨论】

该装置通过多孔径结构实现60×60 mm@165 mm的大视场成像，结合电润湿液体孔径的几何调控，突破了传统复眼装置的适应性局限。虽然存在孔径不对称、背景色偏等问题，但其毫秒级响应、微瓦级功耗的优势，为机器视觉等领域提供了新思路。

【4 结论】

研究成功开发出兼具大视场与自适应成像能力的ACE装置，通过电润湿液体孔径的形状调控，实现了光强适应与信息频率选择双重功能，为复杂环境下的智能成像提供了创新解决方案。

【5 实验方法】

关键工艺包括：电极表面Parylene C/Teflon AF 2400双层镀膜（3 μm/100 nm）、双液体体系配制（密度1.048 g cm^-3，折射率1.4386/1.4902），以及紫外固化光学组装技术。性能测试采用激光扩束-光电探测器系统记录动态响应过程。