近日，南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院胡偉教授、陸延青教授團(tuán)隊在利用自組裝非對稱液晶微透鏡陣列實現(xiàn)四維信息（三維空間外加偏振）可視化探測方面取得進(jìn)展，相關(guān)成果以“Self-assembled asymmetric microlenses for four-dimensional visual imaging”為題，于11月20日在線發(fā)表于《美國化學(xué)會-納米》上（ACS Nano，2019，10.1021/acsnano.9b07104）。

可視化成像在科學(xué)研究與工業(yè)技術(shù)應(yīng)用中至關(guān)重要，為了獲取目標(biāo)物的三維空間信息，通常需要昂貴的測試設(shè)備與比較復(fù)雜的操作。而偏振作為光的另一物理維度，同樣攜帶著物體的特征信息，在材料表征、遙感、生物信息交互等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。用簡單、高效的手段實現(xiàn)對物體空間與偏振信息的同步探測，一直是相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)熱切期盼解決的一項技術(shù)難題。液晶因其外場可控的光學(xué)特性，也被應(yīng)用于可調(diào)透鏡的制作。液晶透鏡往往因材料本身的雙折射特性而帶來偏振敏感性，在一定程度上影響到成像質(zhì)量。如果反其道而行之，充分利用這一特點則可以為偏振探測提供可能。

針對這一課題，研究團(tuán)隊在前期近晶相液晶多層級超結(jié)構(gòu)多維操控研究（Adv.Mater.2017，29，1606671）的基礎(chǔ)上，提出了一種利用自組裝非對稱結(jié)構(gòu)液晶微透鏡陣列進(jìn)行成像探測的方案?；谝壕Ч馀湎蚣夹g(shù)的圖案化誘導(dǎo)，實現(xiàn)焦錐疇自組裝過程中液晶層曲率的靈活控制，進(jìn)而構(gòu)筑結(jié)構(gòu)畸變可控的微透鏡單元，獲得對稱性破缺的相位分布。依賴結(jié)構(gòu)畸變方向的可控性，可利用其對入射線偏振的選擇成像特征進(jìn)行偏振探測。通過預(yù)設(shè)取向單元的尺寸則可以精確操控液晶微透鏡的焦距。他們設(shè)計制備了一個尺寸隨徑向變化，朝向隨角向變化的透鏡陣列，通過其進(jìn)行單次拍攝即可依據(jù)成像清晰度坐標(biāo)中最清晰點的位置，提取出待測物的高度相信息和偏振信息，結(jié)合微透鏡自身的二維成像能力，即實現(xiàn)了對目標(biāo)物體四維信息的可視化探測。與此同時，液晶微透鏡陣列的偏振選擇性與多焦能力，還賦予了其多路復(fù)用/解復(fù)用偏振信息與深度信息的功能，在光通信領(lǐng)域也具有應(yīng)用潛力。

圖1畸變環(huán)曲面焦錐疇陣列探測四維信息（a）取向圖案示意圖；（b）焦錐疇透鏡單元排列示意圖；（c）樣品偏光顯微織構(gòu)圖；（d）偏振選擇與多焦成像示意圖；（e）像平面成像圖；（f-h）成像清晰度分布圖。

圖2深度/偏振信息多路解復(fù)用（a）雙物體成像示意圖；（b）雙物體成像圖；（c）雙偏振成像示意圖；（d）雙偏振成像圖

該研究提出了一種利用自組裝非對稱液晶超結(jié)構(gòu)實現(xiàn)四維信息可視化成像的新方法。在此，液晶微透鏡的相位分布和對稱性破缺特性僅依賴于取向圖案的精確誘導(dǎo)，得益于“自上而下”的光控取向與“自下而上”的材料自組裝的結(jié)合。該方案展現(xiàn)出設(shè)計的靈活性和制備的簡便性，而液晶透鏡陣列的平板化結(jié)構(gòu)也有利于器件的微型化和集成化，與光子技術(shù)的發(fā)展趨勢相吻合。這能夠顯著優(yōu)化現(xiàn)有光子元件與設(shè)備的性能，并有望激發(fā)更多創(chuàng)新性的應(yīng)用。

南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院副研究員馬玲玲博士，19級博士生吳賽博為論文共同一作，胡偉教授、陸延青教授為共同通訊作者，南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院研究生劉超同學(xué)、副研究員陳鵬博士，南京工業(yè)大學(xué)錢皓博士，蘇州大學(xué)王燕東博士、遲力峰教授對本文亦有重要貢獻(xiàn)。該研究由國家重點研發(fā)計劃、自然科學(xué)基金、國家優(yōu)秀青年學(xué)者基金、江蘇省杰出青年學(xué)者基金、“仲英青年學(xué)者”基金、南京大學(xué)研究生院科研基金等項目資助完成。同時感謝人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心、南京大學(xué)十百千工程、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費等平臺與項目支持。