CN116626788B - 一种基于高折射率离子液体的电润湿变焦透镜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于高折射率离子液体的电润湿变焦透镜，属于透镜制造技术领域，该电润湿变焦透镜以离子液体作为导电液体，离子液体的阳离子为烷氧基修饰的咪唑阳离子[CnOCmMIM]+，在一般离子液体工作温度宽的基础上，还使导电液体具有折射率高、热稳定性高、电化学窗口宽、电化学稳定性好、近红外透过率高的优点，可用于制作电润湿变焦透镜，在保持液体透镜原有优点的同时，拓宽可变焦范围，实现近红外成像功能，可应用于高速摄像机、手机、相机、望远镜等领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于高折射率离子液体的电润湿变焦透镜，属于透镜制造技术领域。
背景技术
变焦透镜在光学系统中具有重要的作用。近年来随着对便携式摄像装置需求的不断增大，微型变焦透镜的需求随之增大。目前市场上的微型镜头主要是小型的传统机械运动透镜，其采用玻璃或者塑料通过注塑的方法得到小镜头，然后通过光学几何设计，将小型的镜头集成在位置可调的微型镜筒内，通过改变镜头的位置完成改变镜头焦距的目的。由于需要对透镜光学系统不断进行优化设计，传统机械运动透镜组结构复杂、能耗高、易磨损、造价昂贵，尺寸濒临极限，已不能满足产业发展的需求。为实现变焦透镜的微型化并提高其使用寿命，目前国际上已经提出了一些新型变焦微透镜技术，液体透镜就是其中的一种，相较于其他新型微透镜而言，液体透镜的结构最为简单，且成像质量较好。
基于电润湿现象的可变焦液体透镜，通常包括两种折射率不同，且互不相溶的等密度液体，即导电液体和绝缘液体，两相液体保持接触，并形成弯月形界面，通过施加电压控制液体的润湿性，从而引起弯月面变化，进而达到可变焦距效果，折射率的大小对于焦距有着显著的影响。相较于传统的机械式变焦，液体透镜的低功耗与快速连续变焦具有更大的优势。
为了增强液体透镜的稳定性与可靠性，拓宽液体透镜的应用波段范围，采用离子液体作为电润湿的导电液体，有望克服使用水作为电润湿材料时工作温度范围小的问题，具备独特的优势和可行性。目前，有一些常用的离子液体被用于尝试制作液体透镜，但折射率较小，所制成的液态镜头无法实现较宽的变焦范围，限制了其应用。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于高折射率离子液体的电润湿变焦透镜，采用特殊的阳离子作为导电液体的一部分，折射率大，可实现较宽的变焦范围。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于高折射率离子液体的电润湿变焦透镜，以离子液体作为导电液体，所述离子液体的阳离子为烷氧基修饰的咪唑阳离子[CnOCmMIM]+，具有式1的结构：
，式1；
其中，n=1或2，m=2或4。
本申请提供的电润湿变焦透镜采用离子液体作为导电液体，在具有一般离子液体工作温度宽之优点基础上，还具有更高的折射率，阳离子中的不对称基团能够有效增加材料的极性和各向异性，从而对材料的光学性质产生影响，如双折射增强、红外透过率提高，并且含有该阳离子的导电液体使得电润湿变焦透镜聚焦电压较低、电化学窗口宽。
所述离子液体的阴离子可以为高氯酸根、三氟甲磺酸根、四氟硼酸根、硝酸根、三氟磺酰亚胺根、二氰基铵根等。
优选地，所述离子液体的阴离子为羟基修饰的氟代硼酸根，配合具有式1的阳离子作为导电液体，可显著增强导电液体的各向异性，因此能够进一步增大液体的折射率。
更优选地，所述离子液体的阴离子为氟硼酸根、二氟硼酸根、三氟硼酸根中的至少一种。
与常用的阴离子四氟硼酸阴离子相比（[BF4]-: δ = 0, |β max| = 4.1），引入羟基修饰的[H4-xBO4-xFx] (x = 1，2，3)作为混合阴离子基元，具有更好的各向异性 δ 和超级化率|β max| ([H3BO3F]-: δ = 2.1, |β max| = 39.5; [H2BO2F2]-: δ= 3.4, |β max| = 82.6;[HBOF3]-: δ = 2.5, |β max| = 30.9)。
更优选地，所述离子液体选自1-乙基甲基醚-3-甲基咪唑氟硼酸离子液体（[C1OC2MIM][H3BO3F]）；1-乙基甲基醚-3-甲基咪唑二氟硼酸离子液体（[C1OC2MIM][H2BO2F2]）；1-乙基甲基醚-3-甲基咪唑三氟硼酸离子液体（[C1OC2MIM][HBOF3]）；1-乙基乙基醚-3-甲基咪唑氟硼酸离子液体([C2OC2MIM][H3BO3F])；1-乙基乙基醚-3-甲基咪唑二氟硼酸离子液体([C2OC2MIM][H2BO2F2])；1-乙基乙基醚-3-甲基咪唑三氟硼酸离子液体([C2OC2MIM][HBOF3])；1-丁基甲基醚-3-甲基咪唑氟硼酸离子液体([C1OC4MIM][H3BO3F])；1-丁基甲基醚-3-甲基咪唑二氟硼酸离子液体([C1OC4MIM][H2BO2F2])；1-丁基甲基醚-3-甲基咪唑三氟硼酸离子液体([C1OC4MIM][HBOF3])中的至少一种。使得离子液体的折射率n达到1.4798-1.5929，在近红外波段980nm处的透过率大于90%。
进一步地，所述离子液体常温下的表面张力为33.8 mN/m -64.7 mN/m，有利于增大初始接触角，进而增大液面曲率。
进一步地，绝缘液体可以为长链烷烃，在不与导电液体互溶的前提下，液体交界面初始曲率较大。
更进一步地，所述绝缘液体选自正十烷、正十二烷和正十六烷中的至少一种。
进一步地，所述基于高折射率离子液体的电润湿变焦透镜用于存放所述绝缘液体和所述导电液体的空间的内径为0.5mm-5mm，所述绝缘液体与所述导电液体的总厚度为0.2mm-5mm，以较小的体积即可实现较宽范围的焦距调节。
进一步地，所述基于高折射率离子液体的电润湿变焦透镜包括金属电极和与所述离子液体接触的透明电极，所述金属电极隔有绝缘层地垂直于所述透明电极，所述金属电极和所述透明电极之间施加有0.001kHz-100kHz的交流电场，电压范围为0V-120V。直流电场会导致电荷在两极累积，由此形成反向电势，造成驱动能力下降，电润湿效率变低，采用交流电场具有更好的驱动能力。
更进一步地，所述交流电场的频率为1 kHz，使得进入电极的电荷得到充分中和，抑制电荷累积效应，提高驱动效率。
本发明的有益效果是：本发明的基于高折射率离子液体的电润湿变焦透镜采用特殊的阳离子参与构成导电液体，在一般离子液体工作温度宽的基础上，还使导电液体具有折射率高、热稳定性高、电化学窗口宽、电化学稳定性好、近红外透过率高的优点，可用于制作电润湿变焦透镜，在保持液体透镜原有优点的同时，拓宽可变焦范围，实现近红外成像功能，可应用于高速摄像机、手机、相机、望远镜等领域。
本申请的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请了解。本申请的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
图1是本申请实施例所用部分离子液体的表面张力随温度变化关系图。
图2是本申请实施例所用部分离子液体与水的红外光透过性能对比图。
图3是本申请实施例提供的一种基于高折射率离子液体的电润湿变焦透镜的结构示意图。
图4是实施例1的电润湿变焦透镜焦距（离子液体透镜）的倒数随电压的平方的变化关系图。
图5是实施例2的电润湿变焦透镜焦距的倒数随电压的平方的变化关系图。
图6是实施例3的三个电润湿变焦透镜焦距的倒数随电压的平方的变化关系图。
图7是1kHz交流电下，以正十二烷作为绝缘液体，以[C1OC4MIM][H2BO2F2]和水分别为导电液体的电润湿变焦透镜，在导电液体不同填充体积下的透过率图谱。
图8是本申请实施例所用离子液体的部分阴离子的结构式。
附图标记：1、导电液体；2、绝缘液体；3、外壳；4、金属电极；5、绝缘层；6、疏水层；7、透明电极；8、透明底盖；9、透明顶盖。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。
目前，大多数电润湿溶液中导电液体的研究是基于水或者无机盐的水溶液进行的。但是，受到水自身物理化学性质的制约，使用水作为电润湿材料也带来很多无法克服的问题。一是水的饱和蒸气压较高，导致其易挥发。比如在空气中时，水滴的接触角经过数小时后有着明显的下降，并且体积也有相应的减小。二是当环境温度过低时，水会固化成冰，添加无机盐等方式虽然能够降低其凝固点，但效果有限；而当温度过高时，水存在着明显的汽化现象，并且容易穿透绝缘或疏水膜层发生渗透，造成漏电流过大，引起液体透镜的性能不稳定等可靠性问题，甚至使液体透镜发生失效。
相比之下，离子液体的液程更宽，将离子液体应用于电润湿透镜，在温度变化时，接触角和体积均没有明显变化，热稳定性较高。因此，为了增强液体透镜的稳定性与可靠性，拓宽液体透镜的应用波段范围，采用离子液体作为电润湿透镜的导电液体具备独特的优势和可行性。然而，现有技术中用于电润湿透镜的离子液体折射率较小，所制成的液态镜头无法实现较宽的变焦范围。
一种基于高折射率离子液体的电润湿变焦透镜，以离子液体作为导电液体，离子液体的阳离子为烷氧基修饰的咪唑阳离子[CnOCmMIM]+，具有式1的结构：
，式1；
其中，n=1或2，m=2或4。
本申请实施例的电润湿变焦透镜采用离子液体作为导电液体，在具有一般离子液体工作温度宽之优点的基础上，还具有更高的折射率，阳离子中的不对称基团能够有效增加材料的极性和各向异性，从而对材料的光学性质产生影响，如双折射增强、红外透过率提高，并且含有该阳离子的导电液体使得电润湿变焦透镜聚焦电压较低、电化学窗口宽。
一般离子液体所用的阴离子为高氯酸根、三氟甲磺酸根、四氟硼酸根、硝酸根、三氟磺酰亚胺根、二氰基铵根。本发明的阳离子搭配羟基修饰的氟代硼酸根可具有更优的效果。如图8所示，氟硼酸根（[H3BO3F]-）、二氟硼酸根（[H2BO2F2]-）、三氟硼酸根（[HBOF3]-）均具有不对称基团，进一步增加离子液体的极性和各向异性。
优选地，离子液体选自1-乙基甲基醚-3-甲基咪唑氟硼酸离子液体（[C1OC2MIM][H3BO3F]）；1-乙基甲基醚-3-甲基咪唑二氟硼酸离子液体（[C1OC2MIM][H2BO2F2]）；1-乙基甲基醚-3-甲基咪唑三氟硼酸离子液体（[C1OC2MIM][HBOF3]）；1-乙基乙基醚-3-甲基咪唑氟硼酸离子液体([C2OC2MIM][H3BO3F])；1-乙基乙基醚-3-甲基咪唑二氟硼酸离子液体([C2OC2MIM][H2BO2F2])；1-乙基乙基醚-3-甲基咪唑三氟硼酸离子液体([C2OC2MIM][HBOF3])；1-丁基甲基醚-3-甲基咪唑氟硼酸离子液体([C1OC4MIM][H3BO3F])；1-丁基甲基醚-3-甲基咪唑二氟硼酸离子液体([C1OC4MIM][H2BO2F2])；1-丁基甲基醚-3-甲基咪唑三氟硼酸离子液体([C1OC4MIM][HBOF3])中的至少一种。
经测试，以上离子液体的物理特性如表1所示。
表1
| 离子液体 | 表面张力mN/m | 折射率 |
| [C1OC2MIM][H3BO3F] | 33.8 | 1.4798 |
| [C1OC2MIM][H2BO2F2] | 38.6 | 1.5013 |
| [C1OC2MIM][HBOF3] | 35.6 | 1.4952 |
| [C2OC2MIM][H3BO3F] | 47.2 | 1.5045 |
| [C2OC2MIM][H2BO2F2] | 53.2 | 1.5442 |
| [C2OC2MIM][HBOF3] | 49.8 | 1.5209 |
| [C1OC4MIM][H3BO3F] | 58.1 | 1.5662 |
| [C1OC4MIM][H2BO2F2] | 64.7 | 1.5945 |
| [C1OC4MIM][HBOF3] | 61.2 | 1.5827 |
以上离子液体在常温下的表面张力为33.8 mN/m-64.7 mN/m，有利于增大初始接触角，进而增大液面曲率，而且折射率较高，达到1.4798-1.5929。本申请实施例还验证了部分离子液体的表面张力随温度变化关系，如图1所示；利用部分离子液体与水的红外光透过性能对比，结果如图2所示。
本申请实施例提供的基于高折射率离子液体的电润湿变焦透镜的结构如图3所示，包括透明底盖8和透明顶盖9，透明底盖8上设置有透明电极7，透明电极7和透明顶盖9之间从外往内依次围合有外壳3、金属电极4、绝缘层5和疏水层6，导电液体1和绝缘液体2存在于疏水层6、透明电极7和透明顶盖9围成的空间内，且导电液体1直接与透明电极7接触，绝缘液体填充满剩余的空间。
电润湿变焦透镜的原理为：通过在两个绝缘的透明基板（透明底盖8和透明顶盖9）之间充满导电液体1与绝缘液体2，导电液体1与绝缘液体2之间形成弯月形的液-液两相界面，向透明电极7和金属电极4通过施加电压，以控制液体的润湿性，引起液-液两相界面的变化，进而达到可变焦距效果。
在本申请中，绝缘液体为单一长链烷烃或多种长链烷烃按任意比例的组合，可以是正十烷、正十二烷和正十六烷及其组合。
本申请实施例提供的电润湿变焦透镜包括折射率不同的导电液体与绝缘液体，且二者互不混溶，两种液体之间形成液-液两相界面。离子液体包含了具有特定结构的高折射率溶液，不溶于或微溶于绝缘液体中，扩大了可变焦液体透镜的变焦范围，使其具有高的热稳定性、电化学稳定性和高光焦度的特点，在宽温度区域持续工作若干时间后，导电液体与绝缘液体仍能够保持透明。
具体地，导电液体与绝缘液体的体积比例为1:1到1:4。疏水层6、透明电极7和透明顶盖9围成的空间的内径可以为0.5mm-5mm，高度（相当于绝缘液体与导电液体的最大厚度）可以是0.2mm-5mm。
相应地，工作时，在金属电极4和透明电极7之间施加频率为0.001kHz -100kHz 的交流电用于提供0V-120V 不等的电压，以控制电润湿变焦透镜变焦，优选频率为 1kHz。
实施例1
选用1-乙基乙基醚-3-甲基咪唑三氟硼酸离子液体[C2OC2MIM][HBOF3]作为导电液体。选用质量百分比为80%的正十二烷与质量百分比20%的正十六烷的混合溶液作为绝缘液体。通过将导电液体和绝缘液体按1:3的比例作为用于液态镜头的液体。
将金属电极连接到尺寸为φ4*4 mm的金属圆柱外壳上；将N型聚对二甲苯绝缘材料通过化学气相沉积的方法涂覆到金属电极上作为绝缘层；将疏水材料Teflon AF1600通过滴涂法涂覆到绝缘层上；将透明电极ITO通过真空溅射的方法涂覆到透明底盖上，之后与金属外壳相连接，得到连接体；将上述导电液体和绝缘液体先后注入上述连接体中（体积总共20μL）；将透明顶盖组装到连接体上部，封装完毕，得到电润湿变焦透镜；将ITO透明电极和金属电极分别连接交流电源的两极。交流电频率为1kHz。
封装好的离子液体透镜保持在60℃，进行离子液体透镜焦距的研究。测试结果如图4（实线为一次函数拟合曲线）所示，能够实现的可变焦范围为0.06m-1＜1/f＜32 m-1。
实施例2
选用1-乙基甲基醚-3-甲基咪唑二氟硼酸离子液体（[C1OC2MIM][H2BO2F2]）作为导电液体。选用正十二烷溶液作为绝缘液体。通过将导电液体和绝缘液体按1:2的比例作为用于液态镜头的液体。
将金属电极连接到尺寸为φ4*4 mm的金属圆柱外壳上；将N型聚对二甲苯绝缘材料通过化学气相沉积的方法涂覆到金属电极上作为绝缘层；将疏水材料Teflon AF1600通过滴涂法涂覆到绝缘层上；将透明电极ITO通过真空溅射的方法涂覆到透明底盖上，之后与金属外壳相连接，得到连接体；将共计20 μL的上述导电液体和绝缘液体先后注入上述连接体中（更具体而言是疏水层、透明电极和透明顶盖围成的空间内）；将透明顶盖组装到连接体上部，封装完毕；将ITO透明电极和金属电极分别连接交流电源的两极。交流电频率为1kHz。
封装好的离子液体透镜保持在80℃，进行离子液体透镜焦距的研究。测试结果如图5所示，能够实现的可变焦范围为0.38 m-1＜1/f＜31.7 m-1。
实施例3
选用1-乙基甲基醚-3-甲基咪唑氟硼酸离子液体（[C1OC2MIM][H3BO3F]）作为导电液体。选用正十二烷溶液作为绝缘液体。通过将导电液体和绝缘液体按1:2的比例作为用于液态镜头的液体。
将金属电极连接到尺寸为φ4*4 mm的金属圆柱外壳上；将N型聚对二甲苯绝缘材料通过化学气相沉积的方法涂覆到金属电极上作为绝缘层；将疏水材料Teflon AF1600通过滴涂法涂覆到绝缘层上；将透明电极ITO通过真空溅射的方法涂覆到透明底盖上，之后与金属外壳相连接，得到连接体；将共计20 μL上述导电液体和绝缘液体先后注入上述连接体中；将透明顶盖组装到连接体上部，封装完毕；将ITO透明电极和金属电极分别连接交流电源的两极。交流电频率为1kHz。
封装好的离子液体透镜分别保持在60℃、80℃、100℃下，进行不同温度下离子液体透镜焦距的研究。测试结果如图6所示，能够实现的可变焦范围分别为60℃：0.85 m-1＜1/f＜25.9 m-1；80℃：0.75 m-1＜1/f＜23.4 m-1；100℃：0.71 m-1＜1/f＜21.2 m-1。
红外成像能力验证
选用1-丁基甲基醚-3-甲基咪唑二氟硼酸离子液体([C1OC4MIM][H2BO2F2])作为导电液体。选用正十二烷溶液作为绝缘液体。
将金属电极连接到尺寸为φ4*4 mm的金属圆柱外壳上；将N型聚对二甲苯绝缘材料通过化学气相沉积的方法涂覆到金属电极上作为绝缘层；将疏水材料Teflon AF1600通过滴涂法涂覆到绝缘层上；将透明电极ITO通过真空溅射的方法涂覆到透明底盖上，之后与金属外壳相连接，得到连接体；将上述导电液体和绝缘液体，共计60 μL先后注入上述连接体中，分为七组，第一组：0μL导电液体+60μL绝缘液体；第二组：10μL导电液体+50μL绝缘液体；第三组：20μL导电液体+40μL绝缘液体；第四组：30μL导电液体+30μL绝缘液体；第五组：40μL导电液体+20μL绝缘液体；第六组：50μL导电液体+10μL绝缘液体；第七组：60μL导电液体+0μL绝缘液体。将透明顶盖组装到连接体上部，封装完毕；将ITO透明电极和金属电极分别连接交流电源的两极。交流电频率为1kHz。
作为对比，选用水为导电液体，采用上述相同的方法（按同样的液体比例做成另外七组）制作电润湿变焦透镜，对比其在近红外波段980nm处的透过率，评估其近红外成像能力。
测试结果如图7所示，水透镜对红外光的透光性随着水的填充量的增加而减弱。在实际使用过程中,势必会对成像的效果造成影响。而离子液体透镜透过率则一直能够保持在90%以上，进而表明在近红外成像方面有显著的优势。
本申请实施例提供的基于高折射率离子液体的电润湿变焦透镜，其中离子液体液程宽，热稳定性高，电化学窗口宽，电化学稳定性好，可用于制作电润湿变焦透镜，可用于近红外成像设备。进一步地，该成像设备可以是高速摄像机、手机、相机、望远镜等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”“某些实施方式”“示意性实施方式”“示例”“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于高折射率离子液体的电润湿变焦透镜，以离子液体作为导电液体，其特征在于，所述离子液体的阳离子为烷氧基修饰的咪唑阳离子[CnOCmMIM]+，具有式1的结构：
，式1；
其中，n=1或2，m=2或4。
2.根据权利要求1所述的基于高折射率离子液体的电润湿变焦透镜，其特征在于，所述离子液体的阴离子为羟基修饰的氟代硼酸根。
3.根据权利要求2所述的基于高折射率离子液体的电润湿变焦透镜，其特征在于，所述离子液体的阴离子为氟硼酸根、二氟硼酸根、三氟硼酸根中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的基于高折射率离子液体的电润湿变焦透镜，其特征在于，所述离子液体选自1-乙基甲基醚-3-甲基咪唑氟硼酸离子液体；1-乙基甲基醚-3-甲基咪唑二氟硼酸离子液体；1-乙基甲基醚-3-甲基咪唑三氟硼酸离子液体；1-乙基乙基醚-3-甲基咪唑氟硼酸离子液体；1-乙基乙基醚-3-甲基咪唑二氟硼酸离子液体；1-乙基乙基醚-3-甲基咪唑三氟硼酸离子液体；1-丁基甲基醚-3-甲基咪唑氟硼酸离子液体；1-丁基甲基醚-3-甲基咪唑二氟硼酸离子液体；1-丁基甲基醚-3-甲基咪唑三氟硼酸离子液体中的至少一种。
5. 根据权利要求1所述的基于高折射率离子液体的电润湿变焦透镜，其特征在于，所述离子液体常温下的表面张力为33.8 mN/m -64.7 mN/m。
6.根据权利要求1所述的基于高折射率离子液体的电润湿变焦透镜，其特征在于，以长链烷烃作为绝缘液体。
7.根据权利要求6所述的基于高折射率离子液体的电润湿变焦透镜，其特征在于，所述绝缘液体选自正十烷、正十二烷和正十六烷中的至少一种。
8.根据权利要求6所述的基于高折射率离子液体的电润湿变焦透镜，其特征在于，用于存放所述绝缘液体和所述导电液体的空间的内径为0.5mm-5mm，所述绝缘液体与所述导电液体的总厚度为0.2mm-5mm。
9.根据权利要求8所述的基于高折射率离子液体的电润湿变焦透镜，其特征在于，包括金属电极和与所述离子液体接触的透明电极，所述金属电极隔有绝缘层地垂直于所述透明电极，所述金属电极和所述透明电极之间施加有0.001kHz-100kHz的交流电场，电压范围为0V-120V。
10. 根据权利要求9所述的基于高折射率离子液体的电润湿变焦透镜，其特征在于，所述交流电场的频率为1 kHz。
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