衍射编码微透镜阵列实现大动态范围高灵敏度的实时波前传感技术

针对传统Shack-Hartmann波前传感器(SHWFS)动态范围与灵敏度难以兼得的难题，研究人员提出基于衍射编码微透镜阵列(MLA)的新型DEHWFS方案。通过将特征相位嵌入微透镜设计，生成可辨识的独特聚焦光斑，实现单次拍摄下的实时波前重建。实验证明该技术在不牺牲灵敏度前提下显著扩展动态范围，为天文观测、生物成像等领域提供突破性解决方案。

　　

在光学测量领域，波前（wavefront）作为光束空间相位分布的直观体现，是评估光学系统性能的核心指标。传统波前传感技术长期面临"鱼与熊掌不可兼得"的困境：干涉法虽精度高却易受环境干扰，而基于微透镜阵列(MLA)的Shack-Hartmann波前传感器(SHWFS)虽稳定性佳，却受限于子孔径边界约束——当局部波前斜率较大时，聚焦光斑可能越界导致无法匹配，迫使使用者在动态范围与灵敏度之间艰难取舍。这种局限性严重制约了SHWFS在激光加工、眼科诊疗等需要实时监测大像差场景中的应用。

针对这一瓶颈问题，上海光学精密机械研究所的Zhiwei Wu和Junjie Yu团队在《Optics and Lasers in Engineering》发表创新成果。他们开发的衍射编码Hartmann波前传感器(DEHWFS)通过微透镜相位编码技术，巧妙破解了动态范围与灵敏度的矛盾。该技术通过在传统MLA中嵌入四种特征相位，使每个微透镜产生具有指纹特征的衍射光斑，即使光斑位移超出子孔径仍能准确溯源，从而在单次曝光中实现大像差波前的实时重建。

关键技术包括：1）设计具有四阶相位分布的衍射编码MLA；2）采用两步光刻结合湿法刻蚀工艺制备300μm子孔径、10.5mm焦距的玻璃基MLA；3）建立基于特征光斑识别的快速匹配算法；4）搭建包含532nm激光器和高速CMOS的验证系统。研究团队特别采用六边形排布策略，确保相邻微透镜产生的特征光斑具有最大区分度。

【The principle of the DEHWFS】
通过对比标准SHWFS的工作原理，研究团队阐释了DEHWFS的核心创新：传统系统依赖光斑质心位移计算波前斜率，而DEHWFS利用编码相位产生的特征光斑（如十字形、环形等）实现微透镜-光斑的精准匹配。数值模拟显示，当波前畸变达到50λ时，传统SHWFS已完全失效，而DEHWFS仍能保持92%的匹配准确率。

【Fabrication of diffractive encoding MLA】
选用H-K9L玻璃基底，通过铬掩模光刻和氢氟酸蚀刻工艺，成功制备包含1725个微透镜的阵列。表面轮廓测试显示相位误差小于λ/20，衍射效率达78%。实验验证中，系统对Zernike像差的检测灵敏度达0.5nm RMS，动态范围较传统SHWFS提升8倍。

【Conclusion】
该研究突破性地解决了波前传感领域长期存在的技术矛盾。DEHWFS不仅保留SHWFS的实时性优势，更通过"光学指纹"编码策略，使动态范围与灵敏度得以同步提升。专利技术已应用于上海精密光学制造与测试服务平台，为强激光系统、自适应光学等领域提供新的检测手段。

讨论部分指出，当前系统在极端湍流条件下仍存在约7%的误匹配率，未来可通过增加编码相位种类或引入机器学习算法进一步优化。这项技术为下一代波前传感器树立了新范式，其设计理念也可拓展至X射线、太赫兹等波段的光场调控研究。