威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的研究人員推出了一種新型基于角度的傳感器，該傳感器通過探索平面光學(xué)的近場效應(yīng)而制成，據(jù)稱這有助于創(chuàng)建原子級測量。

需要始終在原子水平上研究材料的精細(xì)細(xì)節(jié)——微小的測量結(jié)果，尤其是在技術(shù)不斷縮小的情況下。干涉測量法，例如白光干涉測量法和基于角度的傳感，是用于間接測量光波前的兩種方法。

為了更好地理解這種需求，本文將深入探討白光干涉儀和基于角度的傳感器的概念、它們的挑戰(zhàn)，以及威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的新型基于角度的波前傳感器如何解決這些挑戰(zhàn)。 

干涉儀和波前光

白光干涉儀和基于角度的傳感器（例如Shack-Hartmann 波前傳感器）提供空間分辨率以測量納米級的樣品材料特征。此外，它們還用于波前傳感和醫(yī)學(xué)成像。 

干涉儀作為一種光學(xué)器件，由于其高檢測靈敏度而被廣泛應(yīng)用。例如，當(dāng)光波穿過透明介質(zhì)時，干涉儀可以測量與光波相關(guān)的微小折射率變化。 

干涉測量基于測量和補(bǔ)償光束最終相位中的像差或當(dāng)主入射光波和參考光波之間發(fā)生干涉時的相位梯度的原理。

推理波前傳感器基礎(chǔ)知識的說明。白光干涉測量法是基于干涉的波前傳感器的一個例子。圖片由宋玉義提供

然而，參考光波可以是初級入射光波的復(fù)制品。來自超輻射發(fā)光二極管的寬帶光源是一種很好的光源，可用于白光干涉儀。

干涉儀和基于角度的傳感器之間的對比

干涉測量法已在多項科學(xué)發(fā)現(xiàn)中發(fā)揮作用。其中之一是使用激光干涉儀探測引力波。與基于角度的 Shack-Hartmann 傳感器相比，干涉儀具有更高的空間分辨率和精度。此外，Shack-Hartmann 波前傳感器可用于確定激光器的光束質(zhì)量。

干涉儀的一個限制是測量可能會受到機(jī)械噪聲或光源噪聲的影響。

基于角度的傳感器（例如 Shack-Hartmann 傳感器）利用微透鏡對一組網(wǎng)格點(diǎn)上的光波的入射角進(jìn)行采樣。這些角度被組合并進(jìn)一步評估以確定光波的波前。

基于角度的波前傳感器的圖示。圖片由宋玉義提供

盡管基于角度的傳感器廣泛用于自適應(yīng)光學(xué)，如眼科診斷、天文望遠(yuǎn)鏡等，但它們的局限性包括空間分辨率低，這可歸因于探測器鏡頭的大尺寸。

為了克服其中一些限制，研究人員創(chuàng)造了一種新的基于角度的傳感器。

求解基于角度的波前傳感器的空間分辨率

威斯康星大學(xué)麥迪遜分校電氣與計算機(jī)工程系的研究人員最近設(shè)計了一種基于角度的波前傳感器，旨在解決在微觀層面進(jìn)行測量的這一挑戰(zhàn)。 

該傳感器由平面光學(xué)元件制成，具有高空間分辨率和寬動態(tài)范圍。研究人員利用平面光學(xué)器件的近場效應(yīng)創(chuàng)建了一種傳感器，可以每秒 30 幀的速度對樣品材料進(jìn)行微小測量。

制造的基于角度的波前傳感器的圖像。圖片由宋玉義提供

研究人員使用單色互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 ( CMOS ) 傳感器，使用光刻技術(shù)制造角度傳感器。這種技術(shù)在 CMOS 傳感器的負(fù)性光刻膠層上形成了一個方形圖案陣列，每個方形圖案與其四個像素一起構(gòu)成一個角度傳感器。 

因此，大量的角度傳感器最終形成了具有非常高空間分辨率的波前傳感器。

這種新型傳感器可用于定量相位成像。此外，與傳統(tǒng)的 Shack-Hartmann 波前傳感器相比，該傳感器聲稱可以提高采樣密度和角動態(tài)范圍。

盡管在微觀水平上進(jìn)行定量測量仍然很困難，但這種新設(shè)備希望用戶能夠揭示樣品材料原子水平的精細(xì)細(xì)節(jié)。