基于角度的波前传感器研究解决平面光学中的近场效应

威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员推出了一种新型基于角度的传感器，该传感器通过探索平面光学的近场效应而制成，据称这有助于创建原子级测量。

需要始终在原子水平上研究材料的精细细节——微小的测量结果，尤其是在技术不断缩小的情况下。干涉测量法，例如白光干涉测量法和基于角度的传感，是用于间接测量光波前的两种方法。

为了更好地理解这种需求，本文将深入探讨白光干涉仪和基于角度的传感器的概念、它们的挑战，以及威斯康星大学麦迪逊分校的新型基于角度的波前传感器如何解决这些挑战。 

干涉仪和波前光

白光干涉仪和基于角度的传感器（例如Shack-Hartmann 波前传感器）提供空间分辨率以测量纳米级的样品材料特征。此外，它们还用于波前传感和医学成像。 

干涉仪作为一种光学器件，由于其高检测灵敏度而被广泛应用。例如，当光波穿过透明介质时，干涉仪可以测量与光波相关的微小折射率变化。 

干涉测量基于测量和补偿光束最终相位中的像差或当主入射光波和参考光波之间发生干涉时的相位梯度的原理。

推理波前传感器基础知识的说明。白光干涉测量法是基于干涉的波前传感器的一个例子。图片由宋玉义提供

然而，参考光波可以是初级入射光波的复制品。来自超辐射发光二极管的宽带光源是一种很好的光源，可用于白光干涉仪。

干涉仪和基于角度的传感器之间的对比

干涉测量法已在多项科学发现中发挥作用。其中之一是使用激光干涉仪探测引力波。与基于角度的 Shack-Hartmann 传感器相比，干涉仪具有更高的空间分辨率和精度。此外，Shack-Hartmann 波前传感器可用于确定激光器的光束质量。

干涉仪的一个限制是测量可能会受到机械噪声或光源噪声的影响。

基于角度的传感器（例如 Shack-Hartmann 传感器）利用微透镜对一组网格点上的光波的入射角进行采样。这些角度被组合并进一步评估以确定光波的波前。

基于角度的波前传感器的图示。图片由宋玉义提供

尽管基于角度的传感器广泛用于自适应光学，如眼科诊断、天文望远镜等，但它们的局限性包括空间分辨率低，这可归因于探测器镜头的大尺寸。

为了克服其中一些限制，研究人员创造了一种新的基于角度的传感器。

求解基于角度的波前传感器的空间分辨率

威斯康星大学麦迪逊分校电气与计算机工程系的研究人员最近设计了一种基于角度的波前传感器，旨在解决在微观层面进行测量的这一挑战。 

该传感器由平面光学元件制成，具有高空间分辨率和宽动态范围。研究人员利用平面光学器件的近场效应创建了一种传感器，可以每秒 30 帧的速度对样品材料进行微小测量。

制造的基于角度的波前传感器的图像。图片由宋玉义提供

研究人员使用单色互补金属氧化物半导体 ( CMOS ) 传感器，使用光刻技术制造角度传感器。这种技术在 CMOS 传感器的负性光刻胶层上形成了一个方形图案阵列，每个方形图案与其四个像素一起构成一个角度传感器。 

因此，大量的角度传感器最终形成了具有非常高空间分辨率的波前传感器。

这种新型传感器可用于定量相位成像。此外，与传统的 Shack-Hartmann 波前传感器相比，该传感器声称可以提高采样密度和角动态范围。

尽管在微观水平上进行定量测量仍然很困难，但这种新设备希望用户能够揭示样品材料原子水平的精细细节。

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