圖片來(lái)源：Yi, S. 和Xiang, J., et al., (2021) 由平面光學(xué)的近場(chǎng)實(shí)現(xiàn)的基于角度的波前傳感。自然通訊，[在線(xiàn)] 12(1)。可在：https://doi.org/10.1038/s41467-021-26169-z

角度傳感器用于測(cè)量波前已有一段時(shí)間了，最??流行的傳感器之一是 Shack-Hartmann 傳感器。與其他波前傳感方法相比，基于角度的方法廣泛用于工業(yè)應(yīng)用和科學(xué)研究。

基于角度的傳感獲得如此廣泛接受的主要原因之一是其完全集成的設(shè)置、穩(wěn)健性和快速。然而，該技術(shù)的主要缺點(diǎn)之一是其空間分辨率低，這受到角度傳感器尺寸的限制。

基于角度的傳感器

基于角度的傳感器使用微透鏡在一組網(wǎng)格點(diǎn)上對(duì)光的入射角進(jìn)行采樣。一旦獲得，角度值就會(huì)被加在一起并進(jìn)一步評(píng)估以建立光波的波前。

然而，如前所述，低空間分辨率阻礙了這些傳感器在要求苛刻的應(yīng)用場(chǎng)景（如定量相位成像）中完全有效。這是因?yàn)殓R頭尺寸較大，并不是縮小鏡頭尺寸那么簡(jiǎn)單，鏡頭越小意味著對(duì)焦能力的降低。

平面光學(xué)

為了克服這一挑戰(zhàn)，威斯康星州麥迪遜分校的團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用了一種基于平面光學(xué)的創(chuàng)新技術(shù)來(lái)制造一種具有用于定量相位成像潛力的傳感器。平面光學(xué)鏡頭是平面鏡頭，由于其形狀，能夠提供無(wú)失真成像。

這些透鏡可用于全息、納米天線(xiàn)和片上光學(xué)處理。通常，大多數(shù)平面光學(xué)器件依賴(lài)于遠(yuǎn)場(chǎng)效應(yīng)，但威斯康星-麥迪遜團(tuán)隊(duì)對(duì)探索平面光學(xué)器件的近場(chǎng)效應(yīng)很感興趣。

我們使用緊跟在平面光學(xué)元件之后的光場(chǎng)能量分布來(lái)測(cè)量入射角。

Zonfu Yu，主要作者，威斯康星大學(xué)麥迪遜分校工程學(xué)院副教授

制造與開(kāi)發(fā)

研究人員使用光刻法來(lái)定義方形圖案陣列來(lái)制造基于角度的傳感器。這種方法在互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS 傳感器) 的負(fù)色調(diào)光刻膠層上產(chǎn)生一系列方形圖案 - 連同其四個(gè)像素，每個(gè)方形圖案產(chǎn)生一個(gè)角度傳感器。 

此外，每個(gè)傳感器只需要一個(gè)沉積和蝕刻步驟，這意味著可以完全集成到現(xiàn)有的 CMOS 傳感器制造工藝中。因此，這些創(chuàng)新的基于角度的傳感器可以低成本批量生產(chǎn)。

由于采用了平面光學(xué)技術(shù)，這種新型的基于角度的傳感器展示了增強(qiáng)的空間分辨率和寬動(dòng)態(tài)范圍。該團(tuán)隊(duì)還能夠調(diào)整平面透鏡的近場(chǎng)效應(yīng)，以生產(chǎn)出能夠以 30 fps 捕獲微小測(cè)量值的傳感器，這是對(duì)當(dāng)前基于角度的傳感儀器的重大改進(jìn)。

我們可以通過(guò)提高光的吞吐量來(lái)顯著提高量子效率。例如，一種設(shè)計(jì)是使用相位孔徑而不是二進(jìn)制孔徑，原則上可以將光通過(guò)率提高90%以上。

Zonfu Yu，主要作者，威斯康星大學(xué)麥迪遜分校工程學(xué)院副教授。

增強(qiáng)的空間分辨率

總體而言，這種新型波前傳感器的主要改進(jìn)在于其高分辨率。這種增強(qiáng)的能力允許基于角度的傳感器執(zhí)行定量相位成像，這通常由基于干涉的方法進(jìn)行。

盡管基于干涉的儀器，例如激光干涉儀，容易受到機(jī)械噪聲或光源產(chǎn)生的噪聲的影響，但它們?nèi)匀皇谦@取定量相位測(cè)量的主要儀器。

然而，Yu 和他的團(tuán)隊(duì)希望他們新開(kāi)發(fā)的傳感器能夠作為當(dāng)前基于干擾的方法的補(bǔ)充。用于快速和高分辨率波前測(cè)量的創(chuàng)新、高性能基于角度的傳感器為自適應(yīng)光學(xué)以及制造和生命科學(xué)研究中的材料表征提供了令人興奮的機(jī)會(huì)。