提高基于角度的波前传感器的空间分辨率

图片来源：Yi, S. 和Xiang, J., et al., (2021) 由平面光学的近场实现的基于角度的波前传感。自然通讯，[在线] 12(1)。可在：https://doi.org/10.1038/s41467-021-26169-z

角度传感器用于测量波前已有一段时间了，最??流行的传感器之一是 Shack-Hartmann 传感器。与其他波前传感方法相比，基于角度的方法广泛用于工业应用和科学研究。

基于角度的传感获得如此广泛接受的主要原因之一是其完全集成的设置、稳健性和快速。然而，该技术的主要缺点之一是其空间分辨率低，这受到角度传感器尺寸的限制。

基于角度的传感器

基于角度的传感器使用微透镜在一组网格点上对光的入射角进行采样。一旦获得，角度值就会被加在一起并进一步评估以建立光波的波前。

然而，如前所述，低空间分辨率阻碍了这些传感器在要求苛刻的应用场景（如定量相位成像）中完全有效。这是因为镜头尺寸较大，并不是缩小镜头尺寸那么简单，镜头越小意味着对焦能力的降低。

平面光学

为了克服这一挑战，威斯康星州麦迪逊分校的团队应用了一种基于平面光学的创新技术来制造一种具有用于定量相位成像潜力的传感器。平面光学镜头是平面镜头，由于其形状，能够提供无失真成像。

这些透镜可用于全息、纳米天线和片上光学处理。通常，大多数平面光学器件依赖于远场效应，但威斯康星-麦迪逊团队对探索平面光学器件的近场效应很感兴趣。

我们使用紧跟在平面光学元件之后的光场能量分布来测量入射角。

Zonfu Yu，主要作者，威斯康星大学麦迪逊分校工程学院副教授

制造与开发

研究人员使用光刻法来定义方形图案阵列来制造基于角度的传感器。这种方法在互补金属氧化物半导体 (CMOS 传感器) 的负色调光刻胶层上产生一系列方形图案 - 连同其四个像素，每个方形图案产生一个角度传感器。 

此外，每个传感器只需要一个沉积和蚀刻步骤，这意味着可以完全集成到现有的 CMOS 传感器制造工艺中。因此，这些创新的基于角度的传感器可以低成本批量生产。

由于采用了平面光学技术，这种新型的基于角度的传感器展示了增强的空间分辨率和宽动态范围。该团队还能够调整平面透镜的近场效应，以生产出能够以 30 fps 捕获微小测量值的传感器，这是对当前基于角度的传感仪器的重大改进。

我们可以通过提高光的吞吐量来显着提高量子效率。例如，一种设计是使用相位孔径而不是二进制孔径，原则上可以将光通过率提高90%以上。

Zonfu Yu，主要作者，威斯康星大学麦迪逊分校工程学院副教授。

增强的空间分辨率

总体而言，这种新型波前传感器的主要改进在于其高分辨率。这种增强的能力允许基于角度的传感器执行定量相位成像，这通常由基于干涉的方法进行。

尽管基于干涉的仪器，例如激光干涉仪，容易受到机械噪声或光源产生的噪声的影响，但它们仍然是获取定量相位测量的主要仪器。

然而，Yu 和他的团队希望他们新开发的传感器能够作为当前基于干扰的方法的补充。用于快速和高分辨率波前测量的创新、高性能基于角度的传感器为自适应光学以及制造和生命科学研究中的材料表征提供了令人兴奋的机会。

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