螳螂虾视觉系统+4D=液晶微透镜

　　长期以来，光学科学家对螳螂虾的视觉系统着迷，螳螂虾是一种海洋甲壳类动物，其眼睛可以处理有关光的颜色和偏振的信息。这些功能启发了许多用于同时提取3-D空间和偏振信息的光学设备，但是很难将两个功能都集成封装到紧凑的光学仪器中。一个研究小组现在提出了一种新颖的方法来一次捕获两种类型的图像数据，该小组的“ 4-D”方法依赖于巧妙的液晶（LC）微透镜，同心排列，该微透镜可以根据阵列中的微透镜提供目标的最清晰图像来确定深度和偏振信息。尽管目前该设计仅是原理上的证明，但研究人员认为，该设计最终可以证明在从医学成像和遥感到信息加密应用中很有用。

如图所示，由南京大学和中国其他几所研究机构开发的同心变形液晶微透镜阵列可以根据图像在阵列中的最佳聚焦位置提取图像深度和光偏振信息。

　　捕获不同的属性

　　很难获得能够同时处理3D深度和偏振信息镜头的原因之一是，两者的感测依赖于不同的属性-深度聚焦时的空间折射率分布以及诸如此类的特性偏振情况下的双折射。具有可调双折射和折射率分布的LC透镜似乎是同时捕获两种数据的理想选择。但不幸的是，调整LC镜头的偏振依赖性可能会影响光学效率和成像质量。由胡伟和南京大学OSA研究员卢燕青带领的中国研究小组考虑了利用液晶透镜优势的另一种方法。他们认为，通过处理可变形LC微透镜阵列的几何形状和相对尺寸，他们可以使成像系统同时显示偏振和深度信息。

　　半月形

镜头设计由变形的半月形液晶透镜组成，它们排列在同心环中，每个环中的透镜尺寸从阵列的中心移出，然后增大。

　　该团队开发的特定配置从直径约10μm或更小的近晶LC微透镜开始，这些微透镜变形为半月形，使它们只能将光聚焦在单个偏振方向上。然后，团队将透镜（使用旋涂法在光取向层上）排列成一系列同心环，每个环中单个透镜的尺寸随着从阵列中心移出而增大。特定的布置意味着半月形透镜的对准方向根据方位角（围绕同心阵列中心的顺时针方向）连续变化。因此，在特定偏振光下图像的清晰度也应随方位角变化，特定象限中的微透镜可提供最清晰的图像，而其他区域则相对模糊。同时，从阵列中心向外的透镜尺寸径向增加意味着焦距也沿径向变化，这意味着可以通过提供最清晰图像的镜头的径向位置来获得有关深度的信息。研究人员用透射不同光偏振的简单字母形成像目标测试了其阵列，发现偏振选择性和多焦点深度成像均以预期的方式工作。他们还同时对两个具有不同深度和偏振特性的物体成像，并能够成功地将微透镜阵列图像中的深度和偏振数据多路分解。

　　完善系统

　　团队强调，此演示仅构成概念证明，在实际应用中仍有许多障碍需要克服。其中之一在于某些光学细节-作者写道，所提议的阵列“仍然受到尺寸的可调范围限制和不完美的相位分布困扰。”但他们相信LC阵列平台可提供足够的灵活性来克服这些问题 ，并将基本思想扩展到其他材料，例如向列液晶、双折射晶体，甚至是人造超表面，都可以为改善图像质量和分辨率提供另一条途径。同时，作者们期待着其不对称微透镜阵列的应用，他们认为“这提供了一种方便的方法来可视化目标上的4D信息。”例如，他们注意到CCD成像器可以放置在透镜后面，捕获透镜阵列中的信息，并用微电机精确移动，以快速进行多焦点成像。他们总结说，这种方法可以在“前瞻性应用程序中找到一席之地，例如光学并行检测、立体pico投影、全尺寸自动对准……，偏振选择性遥感和信息加密”。

　　除南京大学的研究人员外，该研究还包括中国常熟智能液晶研究所的作者，南京工业大学和苏州大学。

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