威斯康星大學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的近場效應而制成，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細節(jié)——微小的測量結果，尤其是在技術不斷縮小的情況下。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)學成像。 

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

干涉測量基于測量和補償光束最終相位中的像差或當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)格點上的光波的入射角進行采樣。這些角度被組合并進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光學，如眼科診斷、天文望遠鏡等，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

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

該傳感器由平面光學元件制成，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器件的近場效應創(chuàng)建了一種傳感器，可以每秒 30 幀的速度對樣品材料進行微小測量。

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金屬氧化物半導體 ( CMOS ) 傳感器，使用光刻技術制造角度傳感器。這種技術在 CMOS 傳感器的負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行定量測量仍然很困難，但這種新設備希望用戶能夠揭示樣品材料原子水平的精細細節(jié)。