亞毫米尺度的光學(xué)透鏡是各種微型系統(tǒng)中不可或缺的光學(xué)元件，廣泛應(yīng)用于光學(xué)互連，光束整形，微型機(jī)器人視覺系統(tǒng)，發(fā)光二極管顯示，波前傳感，以及虛擬/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域。微透鏡可以劃分為折射式和衍射式。對折射式微透鏡，鏡片的球面形狀導(dǎo)致低填充因子和球面相差。衍射式微透鏡依通過微納表面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的相位梯度來改變光學(xué)波前，其幾何形狀不受限制，因而更容易實(shí)現(xiàn)高的填充因子和低焦比（f-number）. 但是，衍射式透鏡往往需要非常復(fù)雜的加工手段實(shí)現(xiàn)。透鏡也可以通過設(shè)計Pancharatnam-Berry（PB）相位，又叫幾何相位來實(shí)現(xiàn)。液晶PB微透鏡的優(yōu)越性是他的效率可以接近100%，和并且可以實(shí)現(xiàn)焦距的可調(diào)和開關(guān)。一直到最近，液晶PB微透鏡焦比還局限在>10的范圍，透鏡成像質(zhì)量也沒有達(dá)到衍射極限。

近日，肯特州立大學(xué)液晶研究所的韋齊和教授所率領(lǐng)的研究組（包括江淼博士，郭玉冰博士，于皓，周子淵，和合作者Taras Turiv， Oleg D. Lavrentovich）成功地展示一個用液晶聚合物設(shè)計和制造高質(zhì)量PB微透鏡的方法。他們利用該課題組開創(chuàng)的等離子基元超掩模板光刻技術(shù)，精準(zhǔn)控制液晶分子的空間取向來產(chǎn)生所需的PB相位。實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了1.5微米的液晶分子的排列最小周期（對應(yīng)于液晶分子旋轉(zhuǎn)180度的距離），這是目前可達(dá)到這個分辨率的唯一方法。這保證了低焦比微透鏡所需要的相對較大的相位梯度。韋教授課題組采用液晶聚合物單體分子（RM257）作為原料旋涂到經(jīng)過光取向的基底上，然后利用光聚合成按照設(shè)計方向排列的高分子。每一個液晶PB微透鏡需要經(jīng)過幾次旋涂-聚合的過程來達(dá)到需要的相位延遲。

該文設(shè)計并制作了一些列不同尺寸和焦比的液晶PB微透鏡，實(shí)現(xiàn)了焦比低至2的微透鏡（對應(yīng)1.5微米的最小周期）。通過實(shí)驗(yàn)測量和擬合得到的這些微透鏡的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)表明它們的成像質(zhì)量都達(dá)到了衍射極限。文中還展示了這些微透鏡可用來對5微米膠體顆粒成像，進(jìn)一步確認(rèn)了其達(dá)到衍射極限的成像質(zhì)量。此外，由于其形狀為正方形，這些微透鏡可以做成填充因子為100%的微透鏡陣列。相比于傳統(tǒng)的折射式和其它的衍射式微透鏡，液晶PB微透鏡展現(xiàn)了衍射極限成像質(zhì)量，高效率，可調(diào)的焦距，低成本等優(yōu)勢，因此預(yù)期會有很多獨(dú)特的工業(yè)應(yīng)用。

來源：高分子科學(xué)前沿