螳螂蝦視覺系統+4D=液晶微透鏡

　　長期以來，光學科學家對螳螂蝦的視覺系統著迷，螳螂蝦是一種海洋甲殼類動物，其眼睛可以處理有關光的顏色和偏振的信息。這些功能啟發了許多用于同時提取3-D空間和偏振信息的光學設備，但是很難將兩個功能都集成封裝到緊湊的光學儀器中。一個研究小組現在提出了一種新穎的方法來一次捕獲兩種類型的圖像數據，該小組的“ 4-D”方法依賴于巧妙的液晶（LC）微透鏡，同心排列，該微透鏡可以根據陣列中的微透鏡提供目標的最清晰圖像來確定深度和偏振信息。盡管目前該設計僅是原理上的證明，但研究人員認為，該設計最終可以證明在從醫學成像和遙感到信息加密應用中很有用。

如圖所示，由南京大學和中國其他幾所研究機構開發的同心變形液晶微透鏡陣列可以根據圖像在陣列中的最佳聚焦位置提取圖像深度和光偏振信息。

　　捕獲不同的屬性

　　很難獲得能夠同時處理3D深度和偏振信息鏡頭的原因之一是，兩者的感測依賴于不同的屬性-深度聚焦時的空間折射率分布以及諸如此類的特性偏振情況下的雙折射。具有可調雙折射和折射率分布的LC透鏡似乎是同時捕獲兩種數據的理想選擇。但不幸的是，調整LC鏡頭的偏振依賴性可能會影響光學效率和成像質量。由胡偉和南京大學OSA研究員盧燕青帶領的中國研究小組考慮了利用液晶透鏡優勢的另一種方法。他們認為，通過處理可變形LC微透鏡陣列的幾何形狀和相對尺寸，他們可以使成像系統同時顯示偏振和深度信息。

　　半月形

鏡頭設計由變形的半月形液晶透鏡組成，它們排列在同心環中，每個環中的透鏡尺寸從陣列的中心移出，然后增大。

　　該團隊開發的特定配置從直徑約10μm或更小的近晶LC微透鏡開始，這些微透鏡變形為半月形，使它們只能將光聚焦在單個偏振方向上。然后，團隊將透鏡（使用旋涂法在光取向層上）排列成一系列同心環，每個環中單個透鏡的尺寸隨著從陣列中心移出而增大。特定的布置意味著半月形透鏡的對準方向根據方位角（圍繞同心陣列中心的順時針方向）連續變化。因此，在特定偏振光下圖像的清晰度也應隨方位角變化，特定象限中的微透鏡可提供最清晰的圖像，而其他區域則相對模糊。同時，從陣列中心向外的透鏡尺寸徑向增加意味著焦距也沿徑向變化，這意味著可以通過提供最清晰圖像的鏡頭的徑向位置來獲得有關深度的信息。研究人員用透射不同光偏振的簡單字母形成像目標測試了其陣列，發現偏振選擇性和多焦點深度成像均以預期的方式工作。他們還同時對兩個具有不同深度和偏振特性的物體成像，并能夠成功地將微透鏡陣列圖像中的深度和偏振數據多路分解。

　　完善系統

　　團隊強調，此演示僅構成概念證明，在實際應用中仍有許多障礙需要克服。其中之一在于某些光學細節-作者寫道，所提議的陣列“仍然受到尺寸的可調范圍限制和不完美的相位分布困擾。”但他們相信LC陣列平臺可提供足夠的靈活性來克服這些問題 ，并將基本思想擴展到其他材料，例如向列液晶、雙折射晶體，甚至是人造超表面，都可以為改善圖像質量和分辨率提供另一條途徑。同時，作者們期待著其不對稱微透鏡陣列的應用，他們認為“這提供了一種方便的方法來可視化目標上的4D信息。”例如，他們注意到CCD成像器可以放置在透鏡后面，捕獲透鏡陣列中的信息，并用微電機精確移動，以快速進行多焦點成像。他們總結說，這種方法可以在“前瞻性應用程序中找到一席之地，例如光學并行檢測、立體pico投影、全尺寸自動對準……，偏振選擇性遙感和信息加密”。

　　除南京大學的研究人員外，該研究還包括中國常熟智能液晶研究所的作者，南京工業大學和蘇州大學。

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