研究背景

光学成像技术在科学研究、工业检测和生物医学成像等多个领域扮演着关键角色。波前传感器作为提升成像系统性能的核心组件，能够测量并校正光波的波前畸变，对于实现高分辨率和高对比度成像至关重要。Shack-Hartmann波前传感器（SHWFS）因其出色的性能和稳定性，在自适应光学系统中尤为常见。

超表面技术是一种新兴的光学领域，它通过在二维平面上设计特定的微纳结构来控制光波的传播特性。与传统光学元件相比，超表面技术提供了更高的设计自由度和更紧凑的尺寸，使得光学系统更加轻便、灵活。在波前传感领域，超表面的应用极大地提高了传感器的性能，包括增加采样密度和扩展视场角度。

随着科技的不断进步，对于高精度光学成像的需求也在不断增长。在生物医学成像领域，高精度波前传感器有助于深入研究细胞和组织的微观结构。在工业检测领域，它们能够提高产品质量检测的准确性。此外，随着超表面技术的不断成熟，预计未来波前传感器将在更多领域发挥关键作用，推动光学成像技术向更高水平发展。

技术挑战

超表面增强型Shack-Hartmann波前传感器（meta SHWFS）面临的首个技术难点是如何显著提升传感器的采样密度。传统波前传感器受限于微透镜阵列的制造技术，这限制了它们在测量缓慢变化波前结构时的性能。为了实现高采样密度，需要开发更精细的微透镜制造工艺，并优化镜头阵列的布局，这在技术上是一个巨大的挑战。

第二个技术难点是扩展传感器的视场角度。meta SHWFS需要能够处理更大的入射角，这要求微透镜具备更大的接受范围和更高的数值孔径。设计这样的微透镜并确保它们在整个视场范围内保持一致的性能，需要精确的光学设计和先进的制造技术。

超表面的精确设计是另一个关键难点。超表面由大量亚波长尺度的结构组成，这些结构必须精确设计以实现所需的相位延迟，同时保持高效率和低损耗。这不仅需要对光与材料相互作用有深入的理解，还需要复杂的设计算法和高精度的制造过程。随着采样密度的提高，传感器会产生大量数据，这就要求有高效的算法来实时处理这些数据。开发这些算法需要深入的数学建模和计算光学知识，以确保能够快速准确地从测量数据中重建出波前和相位图。最后，制造工艺的精确性和成本效益是实现商业化的关键。超表面的制造需要极高的精度，同时还要控制成本，以便大规模生产和广泛应用。这要求开发新的制造技术和流程，以实现高精度和高产量的平衡。

创新研究

为了提高采样密度，韩国科学技术院(KAIST)的Mooseok Jang研究团队开发了meta SHWFS，通过采用超表面技术，显著提高了波前传感器的空间分辨率，如图1a为meta Shack-Hartmann传感器原理图。这一改进突破了传统SHWFS的密度限制，为高精度光学测量提供了可能。针对视场角度的限制，研究团队通过优化微透镜设计，将meta SHWFS采样密度提高到5963 mm^-2，最大接受角度提升至±8°，空间分辨率提高了100倍，相位梯度提高了10倍。这一改变使得传感器能够适应更广泛的应用场景，拓宽了其在自适应光学、天文观测和生物医学成像等领域的应用潜力。

图1. (a) meta Shack-Hartmann传感器原理图；(b) 相位重构对采样密度的影响；(c) 传感器采样单元及相关小透镜参数示意图；(d) 不同焦距下的最大允许位移、定位精度及其比率。

在超表面设计方面，研究团队通过精确控制SiN_x矩形立方体的尺寸和排列，实现了在532 nm波长下的2^π相位覆盖。这一优化提高了传感器的聚焦效率和波前测量的准确性。为了应对高采样密度带来的数据处理挑战，研究人员开发了高效的算法，能够快速从传感器数据中重建波前和相位图（见图2）。这些算法的优化确保了传感器在实时测量中的实用性。团队采用了先进的电子束光刻和等离子体增强化学气相沉积技术，实现了超表面的高精度制造。这些创新的制造工艺不仅提升了产品的质量，也有助于降低成本，推动了传感器的商业化进程。

图2. (a) 通过meta SHWFS进行相位成像的实验装置；(b) 第一行、第二行和第三行分别代表地面实况图像(SLM 的输入图像)、重建相位以及它们之间的差值。

通过这些关键技术改进，韩国科学技术院(KAIST)的Mooseok Jang研究团队成功克服了波前传感器在采样密度、视场角度、超表面设计、数据处理和制造工艺方面的挑战，为光学成像领域带来了创新的解决方案。该成果发表在《Light: Science & Applications》，题为“Meta Shack-Hartmann wavefront sensor with large sampling density and large angular field of view: Phase imaging of complex objects”。韩国科学技术院(KAIST)的Gi-Hyun Go和Mooseok Jang分别为论文的第一作者和通讯作者。

总结与展望

研究人员提出的meta SHWFS是一项突破性技术，通过结合超表面设计，实现了传统波前传感器无法达到的高采样密度和大角度视场。这项技术不仅提升了光学测量的精度和效率，还因其高分辨率和大视场能力，在生物医学成像、自适应光学和工业检测等领域展现出广泛的应用前景。

这一技术的高采样密度和大角度视场特性，使其在处理复杂光学场景时更为出色。此外，实时数据处理算法的开发，保证了传感器在实际应用中的快速响应和准确性，这些都是传统技术所无法比拟的。

通过进一步优化和集成有望推动便携式和现场检测设备的发展，特别是在需要早期诊断和实时监测的生物医学领域。随着制造技术的进步和成本效益的提高，预计meta SHWFS将在更多领域得到应用，包括但不限于精密工程、遥感探测和消费电子产品。此外，该技术还有潜力与人工智能和机器学习算法结合，以实现更加智能化的光学测量和图像处理。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01528-9