《Optics & Laser Technology》：Optical imaging system with extended-depth-of-field based on large-aperture liquid crystal axicon lens
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液态晶体轴锥透镜扩展光学成像系统深度场并实现连续电子变焦，通过优化参数使系统深度场达380毫米，变焦倍率3倍，结合图像处理消除鬼影效应，适用于显微与天文等宽场深成像需求。
Fan Chu|Yuan-Yuan Wang|Chen-Ao Li|Qiong-Hua Wang|Chao Liu
北京航空航天大学仪器与光电工程学院，中国北京100191
摘要
具有光学切片功能的光学成像系统被广泛用于获取体积样本的3D结构图像。这种成像系统的核心组件是可调谐透镜，但传统光学成像系统通常面临焦深有限的挑战。本文直接采用了大口径（20毫米）的液晶（LC）轴锥透镜来扩展我们的光学成像系统的焦深。由于该透镜固有的大焦深特性，成像系统的焦深范围可达到380毫米。结合液透镜系统，该系统具有连续电子变焦的潜力。通过使用分辨率目标、日历目标和大间距字母样本来评估图像分辨率和对比度。此外，还使用了图像处理算法来消除系统捕获的图像中的重影现象。所提出的紧凑型非相干光学成像系统利用LC轴锥透镜，在显微镜和天文学领域具有显著的应用潜力，尤其是在需要扩展焦深的场景中。
引言
光学成像系统在医学、安全和航空航天等领域发挥着重要作用。传统的光学成像系统在处理具有不同深度信息的复杂样本时，常常面临焦深有限的挑战，导致无法同时清晰地捕捉到多个深度层次的图像。扩展焦深（EDOF）成像系统已成为成像技术研究的重要方向。较大的焦深可以使更多物体部分落在焦深范围内，从而提高图像清晰度。具有EDOF的光学系统的独特优势使其在包括生物医学[1]、[2]、农业[3]和工业[4]在内的广泛应用中具有价值。
近年来，提出了许多采用EDOF技术的先进光学成像系统，例如EDOF全息显微镜[5]和基于EDOF微透镜阵列的光学系统[6]。然而，虽然增加焦深是可取的，但它会降低图像分辨率并增加系统复杂性。许多研究工作致力于开发提高成像系统横向分辨率的技术，如振幅调制[7]、图像融合[8]、深度学习[9]和计算成像[10]、[11]。同时，为了简化光学成像系统的复杂性，提出了相位编码[12]、[13]、[14]、[15]、[16]以及衍射光学元件[17]、[18]、[19]应用于EDOF成像系统。然而，这些技术通常只能实现有限的焦深，通常在毫米范围内。超薄折叠透镜[20]、[21]、[22]的焦深可以达到米级。不过，相位掩模、金属透镜和超薄折叠透镜都需要通过不同的优化算法和制造工艺进行专门设计。
轴锥透镜具有大焦深成像的特点，研究人员利用它们实现了大焦深和高分辨率的光学相干断层扫描[23]、[24]、[25]，这在医学领域具有广泛的应用前景。目前，平面轴锥透镜已被广泛研究。通过使用超表面和纳米光栅，已经开发出具有先进功能的平面轴锥透镜，如波长无关的贝塞尔光束[26]和高阶贝塞尔光束生成[27]。然而，轴锥金属透镜的有限孔径无法满足某些成像要求。最近，LC衍射元件作为平面光学的一个有前景的平台出现，具有大面积制造、轻量化外形和厘米级孔径等独特优势[28]、[29]、[30]。尽管基于LC的轴锥透镜已被用于光束整形或概念验证光学演示，但其应用迄今主要限于光场调制，而非系统级成像。据我们所知，LC轴锥透镜尚未被用作与变焦光学集成以实现连续成像功能的关键元件。
在本文中，我们提出了一种利用大口径LC轴锥透镜来扩展光学成像系统焦深的方法。LC轴锥透镜可以将轴线上点光源发出的光连续聚焦到轴上的不同点，而不仅仅是像传统透镜那样聚焦到一个点。这一特性使得所提出的光学成像系统能够实现EDOF。与传统固体轴锥透镜和基于超表面的轴锥透镜相比，LC轴锥透镜同时具有超薄外形、可实现的较大孔径以及与平面制造工艺的优异兼容性。所提出的成像系统还利用液透镜实现了无机械结构的连续变焦功能。通过优化成像系统的参数，该系统的变焦范围为3倍，焦深可达380毫米。这种大焦深方法将有助于工业零件检测、安全、生物医学或其他需要EDOF成像的应用。
系统结构与原理
所提出系统的结构
图1展示了所提出系统的结构，包括偏振器、四分之一波片、LC轴锥透镜、液透镜组以及用于捕获图像的CCD。LC轴锥透镜是扁平的，呈现出“前后玻璃基板、中间LC功能薄膜层”的三明治结构，其中中间功能薄膜层由LC聚合物材料制成。在LC层中，LC分子的快轴方向沿径向呈等周期梯度分布。
LC轴锥透镜的仿真结果
LC轴锥透镜的偏转角为θ，它受到LCP功能薄膜层中相位周期参数p和工作波长λ的影响，具体遵循衍射公式[30]：准直光束进入LC轴锥透镜后，出射光束的收敛或发散角的一半为θ。LC轴锥透镜的偏转角用于衡量其聚焦和发散光束的能力，是关键参数之一。
结论
我们探索了一种利用LC轴锥透镜结合液透镜来扩展光学成像系统焦深的新方法。通过结合LC轴锥透镜和液透镜，可以扩展系统在z方向上的焦深。通过调整变焦液透镜的焦距，可以灵活控制焦深和深衍射光学的分辨率。这种方法在光学和光子学领域具有广泛的应用前景。所提出的系统消除了
作者贡献声明
Fan Chu：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿。Yuan-Yuan Wang：撰写 – 审稿与编辑。Chen-Ao Li：形式分析。Qiong-Hua Wang：撰写 – 审稿与编辑。Chao Liu：撰写 – 审稿与编辑，数据整理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家重点研发计划（项目编号：2023YFB3611500）、国家自然科学基金（项目编号：62335002）、北京航空航天大学杭州国际创新研究院的研究资助（项目编号：2024KQ148）以及中央高校基本科研业务费（项目编号：501XYGG2025117034）的支持。
