近日，南京大學現代工程與應用科學學院胡偉教授、陸延青教授團隊在利用自組裝非對稱液晶微透鏡陣列實現四維信息（三維空間外加偏振）可視化探測方面取得進展，相關成果以“Self-assembled asymmetric microlenses for four-dimensional visual imaging”為題，于11月20日在線發表于《美國化學會-納米》上（ACS Nano，2019，10.1021/acsnano.9b07104）。

可視化成像在科學研究與工業技術應用中至關重要，為了獲取目標物的三維空間信息，通常需要昂貴的測試設備與比較復雜的操作。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、生物信息交互等領域發揮著重要作用。用簡單、高效的手段實現對物體空間與偏振信息的同步探測，一直是相關領域內熱切期盼解決的一項技術難題。液晶因其外場可控的光學特性，也被應用于可調透鏡的制作。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，研究團隊在前期近晶相液晶多層級超結構多維操控研究（Adv.Mater.2017，29，1606671）的基礎上，提出了一種利用自組裝非對稱結構液晶微透鏡陣列進行成像探測的方案。基于液晶光配向技術的圖案化誘導，實現焦錐疇自組裝過程中液晶層曲率的靈活控制，進而構筑結構畸變可控的微透鏡單元，獲得對稱性破缺的相位分布。依賴結構畸變方向的可控性，可利用其對入射線偏振的選擇成像特征進行偏振探測。通過預設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，通過其進行單次拍攝即可依據成像清晰度坐標中最清晰點的位置，提取出待測物的高度相信息和偏振信息，結合微透鏡自身的二維成像能力，即實現了對目標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，還賦予了其多路復用/解復用偏振信息與深度信息的功能，在光通信領域也具有應用潛力。

圖1畸變環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構實現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，得益于“自上而下”的光控取向與“自下而上”的材料自組裝的結合。該方案展現出設計的靈活性和制備的簡便性，而液晶透鏡陣列的平板化結構也有利于器件的微型化和集成化，與光子技術的發展趨勢相吻合。這能夠顯著優化現有光子元件與設備的性能，并有望激發更多創新性的應用。

南京大學現代工程與應用科學學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，南京大學現代工程與應用科學學院研究生劉超同學、副研究員陳鵬博士，南京工業大學錢皓博士，蘇州大學王燕東博士、遲力峰教授對本文亦有重要貢獻。該研究由國家重點研發計劃、自然科學基金、國家優秀青年學者基金、江蘇省杰出青年學者基金、“仲英青年學者”基金、南京大學研究生院科研基金等項目資助完成。同時感謝人工微結構科學與技術協同創新中心、南京大學十百千工程、中央高校基本科研業務費等平臺與項目支持。