光学相位测量在光学计量学、自适应光学、生物医学成像和激光雷达等多个领域中具有重要地位。特别是，二维相位图在获取表面形态和微观物体结构方面表现出色。然而，由于光波振荡频率（约10^14赫兹）远远超过当前光电设备的最高响应速度（约10^8赫兹），直接测量光学相位仍然面临着巨大的技术挑战。
目前的相位成像技术主要分为基于干涉的方法和计算相位恢复方法两类。基于干涉的方法需要信号光和参考光，通过对干涉图进行全息重建得到相位图，具有高精度和大空间带宽积，但需要体积庞大的装置且对波长波动敏感。计算相位恢复方法，如传输强度方程、叠层扫描和迭代算法等，虽然克服了一些困难，但通常引入了弱散射样品要求和多次测量需求等限制，影响了其在高速和实时相位测量应用中的使用。
波前传感技术是一种间接获取光学相位图的方法，通过测量光的传播方向来实现。这种技术在傅里叶平面捕获强度图案，然后通过强度图的位移推断入射波前角度和光学相位梯度，最后通过对光学相位梯度的数值积分重建二维相位图。与基于相干光源的传统相位成像技术不同，波前传感技术适用于非相干光源(因为强度图的位移与波长不相关)，因此在天文成像、光束质量诊断、光学测试、基于荧光的自适应光学显微镜和眼科学等领域有广泛应用。然而，这种技术的空间分辨率远低于相位成像技术。
Shack-Hartmann波前传感器（SHWFS）是最广泛使用的波前传感方法，其由微透镜阵列和图像传感器组成，能够进行单帧采集并在各种实际环境中展现出优异的稳定性。理论上，SHWFS可以通过积分每个微透镜位置测得的局部相位梯度值，实现对任意复杂物体的二维相位成像。然而，传统SHWFS中的微透镜阵列由于MEMS制造技术的限制，其尺寸通常在100微米左右，数值孔径较低，导致采样密度和最大可测量角度分别限制在每平方毫米约100个和1度左右，这对于复杂相位物体的定量相位成像来说不够理想。因此，传统SHWFS主要用于表征可以用低阶泽尼克多项式表示的缓慢变化的波前结构。
基于此，韩国科学技术院KAIST的Gi-Hyun Go(一作)和Mooseok Jang(通讯)利用超表面增强的Shack-Hartmann波前传感器(meta SHWFS)突破传统限制,进行相位成像。实现了一个由100×100个超透镜组成的meta SHWFS,每个透镜直径为12.95微米,焦距为30微米,数值孔径为0.21。这种设计具有高采样密度(每平方毫米5963个采样点)和大接受角(高达±8°),比传统SHWFS系统的空间分辨率提高了100倍,相位梯度范围扩大了10倍。最后，通过实验展示了该系统在非相干光源的广角位置检测和复杂物体相位成像方面的应用(包括融合组织病理结构)。
Meta SHWFS由超透镜阵列和图像传感器组成，其中图像传感器位于超透镜焦平面，通过焦点位移Δ测量入射波前的局部相位梯度，从而获取二维相位信息。如图1a所示，Δ=f x tanθ，f是焦距，θ是入射角。入射角与局部相位梯度关系如下，
其中k是波矢的标量值。所以，可以从每个透镜上的焦点位移得出局部相位梯度，从而可以通过局部梯度进行数值积分来恢复入射光的二维相位信息。SHWFS 的性能由最大接受角、可分辨角度数量和采样密度决定。为避免透镜间的干扰，接受角被设定为焦点位移不超过透镜边界的范围内，而可分辨角度数量取决于焦点位移和透镜尺寸。为了提高采样密度，超透镜的直径被设置为12.95μm，与像素大小匹配，焦距则被优化为30μm，以确保波前测量的准确性。最终设计的meta SHWFS在较小的透镜直径下，实现了8°的最大接受角(比传统SHWFS大10倍)和约3600的可分辨角度数，有效突破了传统SHWFS的空间分辨率和接受角的限制，同时在相位成像中保持了足够大的可分辨角度数量。
图1
a 通过 meta SHWFS 进行相位成像的实验设置。b 相位成像结果。第一、第二和第三行分别代表真实图像（SLM 的输入图像）、重建相位和它们之间的差异
参考文献：Go, GH., Lee, Dg., Oh, J. et al. Meta Shack–Hartmann wavefront sensor with large sampling density and large angular field of view: phase imaging of complex objects. Light Sci Appl 13, 187 (2024).
DOI： https://doi.org/10.1038/s41377-024-01528-9
