ACS Nano | 基于非对称结构液晶微透镜的四维成像

英文原题：Self-assembled asymmetric microlenses for four-dimensional visual imaging

作者：Ling-Ling Ma（马玲玲）,† Sai-Bo Wu（吴赛博）,† Wei Hu（胡伟）,* Chao Liu（刘超）, Peng Chen（陈鹏）, Hao Qian（钱皓）, Yandong Wang（王燕东）, Lifeng Chi（迟力峰）, and Yan-qing Lu（陆延青）*

通讯作者：胡伟，南京大学；陆延青，南京大学

可视化成像在科学研究与工业技术应用中至关重要，为了获取目标物的三维空间信息，通常需要昂贵的测试设备与比较复杂的操作。而偏振作为光的另一物理维度，同样携带着物体的特征信息，在材料表征、遥感、生物信息交互等领域发挥着重要作用。用简单、高效的手段实现对物体空间与偏振信息的同步探测，一直是相关领域内热切期盼解决的一项技术难题。液晶因其外场可控的光学特性，也被应用于可调透镜的制作。液晶透镜往往因材料本身的双折射特性而带来偏振敏感性，在一定程度上影响到成像质量。如果反其道而行之，充分利用这一特点则可以为偏振探测提供可能。

近日，南京大学胡伟教授（点击查看介绍）、陆延青教授（点击查看介绍）团队针对这一课题，在前期近晶相液晶多层级超结构多维操控的研究基础上，提出了一种利用自组装非对称结构液晶微透镜阵列进行成像探测的方案。在研究中，团队基于液晶光配向技术的图案化诱导，实现了焦锥畴自组装过程中液晶层曲率的灵活控制，进而构筑了结构畸变可控的微透镜单元，获得了对称性破缺的相位分布。依赖结构畸变方向的可控性，可以利用其对入射线偏振的选择成像特征进行偏振探测。此外，取向结构的空间限制也可以对诱导产生的微透镜单元的相位分布产生调制，通过预设取向单元的尺寸，可以在一定范围内精确操控液晶微透镜的焦距。

图1. 液晶畸变微透镜的结构与光学性质 (a)三维空间与偏振信息探测示意图；(b) 环曲面焦锥畴三维模型图；(c,d) 环曲面焦锥畴与畸变环曲面焦锥畴的偏光显微织构图；(e) 畸变环曲面焦锥畴三维模型图；(f,g) 畸变环曲面焦锥畴的相位分布与线偏振敏感性。

图2. 畸变环曲面焦锥畴的偏振选择性和多焦距能力 (a) 多朝向焦锥畴阵列的偏光显微织构图；(b) 偏振选择成像示意图；(c-e) 不同线偏振入射成像图；(f) 多尺寸焦锥畴阵列的偏光显微织构图；(g) 多焦点成像示意图；(h-j) 不同位置像平面成像图；(k) 成像质量量化分析；(l) 焦距与畴尺寸相关性。

基于畸变焦锥畴微透镜的偏振选择性和多焦能力，团队设计制备了一个畴结构尺寸随径向变化，朝向随角向变化的透镜阵列。在用该透镜阵列对目标物体进行成像时，像平面阵列将出现与物体偏振相关的角向清晰度变化，以及与物体空间深度相关的径向清晰度变化。通过进行单次拍摄，即可依据成像清晰度坐标中最清晰点的位置，提取出待测物的深度信息和偏振信息，结合微透镜自身的二维成像能力，即实现了对目标物体四维信息的可视化探测。与此同时，液晶微透镜阵列的偏振选择性与多焦能力，还赋予了其多路复用/解复用偏振信息与深度信息的功能。在研究中，团队利用该微透镜阵列进行了双物体成像和双偏振成像的验证，成功将不同空间深度的物体分展在了像平面的不同径向位置进行成像，而将具有不用偏振信息的物体分展在了不同角向位置进行成像，这种复用能力在光通信领域也将具有应用潜力。

图3. 畸变环曲面焦锥畴阵列探测四维信息 (a) 取向图案示意图；(b)焦锥畴透镜单元排列示意图；(c) 样品偏光显微织构图；(d) 偏振选择与多焦成像示意图；(e)像平面成像图；(f-h)成像清晰度分布图。

图4. 深度/偏振信息多路解复用 (a) 双物体成像示意图；(b) 双物体成像图；(c) 双偏振成像示意图；(d) 双偏振成像图。

该研究提出了一种利用自组装非对称液晶超结构实现四维信息可视化成像的新方法。在此，液晶微透镜的相位分布和对称性破缺特性仅依赖于取向图案的精确诱导，得益于“自上而下”的光控取向与“自下而上”的材料自组装的结合。该方案展现出设计的灵活性和制备的简便性，而液晶透镜阵列的平板化结构也有利于器件的微型化和集成化，与光子技术的发展趋势相吻合。这能够显著优化现有光子元件与设备的性能，并有望激发更多创新性的应用。

这一成果近期发表在ACS Nano 上，南京大学副研究员马玲玲、博士研究生吴赛博为文章的共同第一作者，胡伟教授、陆延青教授为通讯作者。

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Self-assembled asymmetric microlenses for four-dimensional visual imaging

Ling-Ling Ma,† Sai-Bo Wu,† Wei Hu,* Chao Liu, Peng Chen, Hao Qian, Yandong Wang, Lifeng Chi, Yan-qing Lu*

ACS Nano, 2019, DOI: 10.1021/acsnano.9b07104

Publication Date: November 20, 2019

导师介绍

胡伟

https://www.x-mol.com/university/faculty/22048

陆延青

https://www.x-mol.com/university/faculty/63409

（本稿件来自ACS Publications）