【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，南京大學(xué)李濤教授、祝世寧院士團(tuán)隊(duì)在波前傳感領(lǐng)域取得重要突破，首次提出并實(shí)現(xiàn)了無(wú)需任何外部光學(xué)元件、直接集成于CMOS圖像傳感器的超表面夏克-哈特曼波前傳感器。研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地引入雙螺旋點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(DH-PSF)雙編碼策略，從根本上打破了傳統(tǒng)波前傳感中動(dòng)態(tài)范圍與空間采樣密度之間的固有權(quán)衡，將單通道無(wú)歧義動(dòng)態(tài)范圍拓展至±9.4°，采樣密度實(shí)現(xiàn)翻倍，并天然具備矢量偏振波前探測(cè)能力。
 

　　波前傳感是天文觀測(cè)、自由空間光通信、生物醫(yī)學(xué)成像和自適應(yīng)光學(xué)等領(lǐng)域的核心基礎(chǔ)技術(shù)。隨著光學(xué)系統(tǒng)向小型化、集成化方向快速發(fā)展，高性能波前傳感器亟需兼具超大動(dòng)態(tài)范圍、高空間采樣密度、偏振分辨能力與光子芯片集成特性。傳統(tǒng)夏克-哈特曼波前傳感器依賴折射微透鏡陣列，受物理與制備極限制約，子孔徑間距普遍達(dá)百微米量級(jí)(約10個(gè)子孔徑/毫米)，其幾何動(dòng)態(tài)范圍僅約±1°，且無(wú)法分辨偏振相關(guān)的矢量波前畸變。盡管近年超表面的發(fā)展為波前傳感提供了新的可能，但現(xiàn)有超表面方案仍需借助外部顯微鏡物鏡或中繼光學(xué)系統(tǒng)成像，無(wú)法實(shí)現(xiàn)真正的片上集成，且同樣受制于動(dòng)態(tài)范圍與采樣密度之間的內(nèi)在權(quán)衡關(guān)系，難以同時(shí)兼顧大視場(chǎng)、高采樣與高精度探測(cè)。
 

　　在這項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)巧妙地設(shè)計(jì)了基于雙螺旋點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的雙編碼策略，從硬件層面同時(shí)打破了動(dòng)態(tài)范圍與采樣密度的固有權(quán)衡。第一個(gè)維度是取向編碼：每個(gè)子孔徑生成具有明確方向特征的雙螺旋點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，主瓣方向分別編碼為0°、90°、45°和135°四種取向。這些獨(dú)特的“角度指紋”使各子孔徑光斑在相鄰子孔徑之間具有高度辨識(shí)度，即便在極大波前傾斜下發(fā)生大幅位移時(shí)依然可以被精準(zhǔn)區(qū)分，消除了傳統(tǒng)圓形光斑的鄰域串?dāng)_問(wèn)題，將單偏振通道無(wú)歧義探測(cè)角度從約±1°一舉拓展至±9.4°，動(dòng)態(tài)范圍提升近一個(gè)數(shù)量級(jí)，且絲毫不犧牲采樣密度。第二個(gè)維度是正交偏振復(fù)用與差異化主瓣間距編碼：在單個(gè)超表面中利用傳輸相位與幾何相位聯(lián)合調(diào)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)左旋圓偏振和右旋圓偏振兩個(gè)正交通道的獨(dú)立相位設(shè)計(jì)。兩個(gè)偏振通道的子孔徑陣列被交錯(cuò)排布，同時(shí)其雙螺旋點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的主瓣間距被設(shè)計(jì)為一個(gè)通道的主瓣間距恰好為另一個(gè)通道的一半。這一差異化特征使得兩個(gè)通道的光斑即使空間交疊也可被清晰區(qū)分，從而在不犧牲動(dòng)態(tài)范圍的前提下實(shí)現(xiàn)采樣密度的有效翻倍，并天然賦予傳感器偏振分辨矢量波前感知能力。
 

　　實(shí)驗(yàn)表征結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)超表面可精準(zhǔn)生成預(yù)設(shè)雙螺旋光場(chǎng)分布，實(shí)驗(yàn)光斑與仿真形貌高度吻合；單子孔徑可實(shí)現(xiàn) ±9.4° 超大角度無(wú)歧義探測(cè)，相較傳統(tǒng)架構(gòu)動(dòng)態(tài)范圍提升近一個(gè)數(shù)量級(jí)，系統(tǒng)最小可分辨角度低至 0.2°。
 

　　研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步通過(guò)三類標(biāo)桿應(yīng)用全面驗(yàn)證了該傳感器的性能：在三維點(diǎn)源高精度定位中，通過(guò)軸向和橫向掃描重構(gòu)點(diǎn)源空間坐標(biāo)，波前重建精度高、定位誤差小，大傾斜角度下仍無(wú)光斑混淆，位移范圍遠(yuǎn)超傳統(tǒng)半孔徑極限；在透鏡表面形貌測(cè)量中，將待測(cè)透鏡直接放置于傳感器表面，無(wú)需復(fù)雜對(duì)準(zhǔn)與參考光路，單次快照即可獲取透鏡面形高度分布與曲率半徑，重建結(jié)果與標(biāo)稱參數(shù)高度匹配、殘差誤差極低，展示了無(wú)需掃描與參考臂的高精度光學(xué)元件快速檢測(cè)能力；此外，視頻級(jí)動(dòng)態(tài)波前監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)以視頻幀率實(shí)時(shí)捕捉振動(dòng)水滴表面的瞬態(tài)波前演化，成功實(shí)現(xiàn)了無(wú)掃描、無(wú)參考臂的全場(chǎng)動(dòng)態(tài)波前檢測(cè)，為微流體與界面力學(xué)研究提供了新型技術(shù)手段。
 

　　該項(xiàng)研究工作從硬件層面根本性地打破了波前傳感動(dòng)態(tài)范圍與采樣密度之間的固有權(quán)衡，實(shí)現(xiàn)了無(wú)需任何外部光學(xué)元件的芯片集成式波前傳感，為免對(duì)準(zhǔn)、高性能、可規(guī)?；慨a(chǎn)的光學(xué)計(jì)量建立了全新的技術(shù)范式。該平臺(tái)具備良好的拓展性：通過(guò)材料更換或消色差設(shè)計(jì)可拓展至不同工作波段；采用更精細(xì)的取向編碼方案可進(jìn)一步提升動(dòng)態(tài)范圍；偏振復(fù)用架構(gòu)天然支持偏振分辨波前感知，有望實(shí)現(xiàn)相位與偏振狀態(tài)的同時(shí)解碼。結(jié)合優(yōu)化的波前重構(gòu)算法與GPU/FPGA硬件加速，該系統(tǒng)可達(dá)到亞毫秒重構(gòu)時(shí)延，滿足自適應(yīng)光學(xué)、車載光電、天文成像、集成光子學(xué)等面向高幀率實(shí)時(shí)測(cè)量需求的應(yīng)用場(chǎng)景。
 

　　該成果以“Chip-integrated metasurface with double-helix point spread functions for ultra-large dynamic range wavefront sensing”為題發(fā)表于Nature Communications，為片上集成、免對(duì)準(zhǔn)、高性能波前計(jì)量建立了新的技術(shù)范式。南京大學(xué)李濤教授和隆仙博士后為共同通訊作者，南京大學(xué)博士研究生褚衍浩和碩士研究生李小鵬為論文共同第一作者，該工作得到祝世寧院士的悉心指導(dǎo)。該研究得到了科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委、南京大學(xué)789科技攻關(guān)項(xiàng)目以及中國(guó)博士后基金項(xiàng)目的支持。
 

　　引用：李濤教授、祝世寧院士團(tuán)隊(duì)：片上集成超大動(dòng)態(tài)范圍超構(gòu)波前傳感器 南京大學(xué) 【引用時(shí)間：2026年5月20日】