四維成像的可能

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(duì)在利用自組裝非對(duì)稱(chēng)液晶微透鏡陣列實(shí)現(xiàn)四維信息（三維空間外加偏振）可視化探測(cè)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(guó)化學(xué)會(huì)-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(cè)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(jiǎn)單、高效的手段實(shí)現(xiàn)對(duì)物體空間與偏振信息的同步探測(cè)，一直是相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)熱切期盼解決的一項(xiàng)技術(shù)難題。液晶因其外場(chǎng)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(lái)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(diǎn)則可以為偏振探測(cè)提供可能。

針對(duì)這一課題，研究團(tuán)隊(duì)在前期近晶相液晶多層級(jí)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(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)液晶微透鏡陣列進(jìn)行成像探測(cè)的方案?；谝壕Ч馀湎蚣夹g(shù)的圖案化誘導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)焦錐疇自組裝過(guò)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(duì)稱(chēng)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(duì)入射線偏振的選擇成像特征進(jìn)行偏振探測(cè)。通過(guò)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?cè)O(shè)計(jì)制備了一個(gè)尺寸隨徑向變化，朝向隨角向變化的透鏡陣列，通過(guò)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(diǎn)的位置，提取出待測(cè)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(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)物體四維信息的可視化探測(cè)。與此同時(shí)，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(cè)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(duì)稱(chēng)液晶超結(jié)構(gòu)實(shí)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(duì)稱(chēng)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(jì)的靈活性和制備的簡(jiǎn)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(shì)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(jí)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(qián)皓博士，蘇州大學(xué)王燕東博士、遲力峰教授對(duì)本文亦有重要貢獻(xiàn)。該研究由國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、自然科學(xué)基金、國(guó)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(xiàng)目資助完成。同時(shí)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(fèi)等平臺(tái)與項(xiàng)目支持。