科学家利用简单的 PSCOF 方法展示了电可调微透镜阵列

发布时间:2023-10-12 02:06:43.000Z

a) 紫外线曝光和相分离过程示意图。上图是带有微透镜阵列图案的灰度掩膜。下图是由聚合物层和具有微透镜阵列形态的液晶层组成的复合结构液晶池。当装满液晶层和预聚物混合物的电池受到正常入射的准直紫外激光束照射时,由于电池对紫外光的强烈吸收,电池内部会产生紫外光强度梯度。通过添加设计好的光掩膜,还可以在电池的 x-y 平面上产生额外的强度梯度。高强度区域的单体将首先发生聚合反应。低强度区域的单体和低聚物将向高强度区域扩散,以保持其相对浓度。在特意设定的照射条件下,足够长的紫外线照射时间最终会消耗掉所有单体,并导致低聚物从聚合体积中移出。与此同时,低聚物分子也会被对准层定向。b) 在交叉偏振镜下拍摄的面积为 5 cm ´ 5 cm 的典型样品。照亮光罩的白色光源用作显示面板。LC-MLA 放置在光罩前面。物体 "3 "和 "D "在中心深度平面附近重建。中心深度平面可通过 LC-MLA 进行调整。资料来源:蔡文峰、孔德来、马宗军、岑孟佳、王嘉伟、袁丹丹、李可、程明、徐少林、罗丹、卢彦青和刘彦军

 

微透镜阵列是在自动立体显示、光通信、波前传感、整体成像等领域大有可为的关键元件之一。例如,微透镜阵列是积分成像的关键元件,用于采集和显示图像。在大多数情况下,由于所用微透镜阵列的焦距固定,整体成像的图像深度受到限制。

 

具有电、光或声可调折射率的液晶(LC)已被广泛用于可调微透镜阵列。借助微透镜阵列的可调性,可以探索图像深度。然而,液晶微透镜阵列(LC-MLAs)的设计和制备通常涉及多个制造过程,从而增加了制造的复杂性和成本。

在发表于《Light: 先进制造》(Light: Advanced Manufacturing)上发表的一篇新论文中,由中国深圳南方科技大学电气与电子工程系刘彦军教授领衔的科学家团队与中国南京大学工程与应用科学学院陆燕青教授及合作者合作,提出了一种只需一步曝光就能制备大面积液晶微透镜阵列的简单方法。

LC-MLA是在聚合物/LC复合材料内部通过光聚合诱导相分离(PIPS)形成的,它产生相邻的LC层和聚合物层,称为相分离复合膜(PSCOF)。复合薄膜的形态可由灰度光掩模控制。

LC-MLA 具有极化依赖性和电可调聚焦特性,具有很高的聚焦和成像质量。在不施加电压的情况下,由于其固有的梯度指数曲线,微透镜的自然焦距为 8 毫米。当外加电压超过阈值时,LC 会发生重新定向,微透镜的焦距会逐渐增加。研究人员展示了利用所制备的微透镜阵列在三维显示器中实现图像采集和电可调中央深度面的情况。

这种制造技术与已报道的喷墨打印、压缩成型、光刻胶热回流和三维打印等技术有着本质区别,它具有生产简便、一步到位、成本低和产量高等特点。

此外,通过专门设计的光掩模,该技术还可作为一个通用平台,用于制造具有其他功能的液晶微光学器件,如液晶透镜微透镜阵列、液晶炽光光栅等。

参考资料

Wenfeng Cai et al, Optically anisotropic, electrically tunable microlens arrays formed via single-step photopolymerization-induced phase separation in polymer/liquid-crystal composite materials, Light: Advanced Manufacturing (2023). DOI: 10.37188/lam.2023.028

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