近日，南京大学李涛教授、祝世宁院士团队在波前传感领域取得重要突破，首次提出并实现了无需任何外部光学元件、直接集成于CMOS图像传感器的超表面夏克-哈特曼波前传感器。研究团队创新性地引入双螺旋点扩散函数（DH-PSF）双编码策略，从根本上打破了传统波前传感中动态范围与空间采样密度之间的固有权衡，将单通道无歧义动态范围拓展至±9.4°，采样密度实现翻倍，并天然具备矢量偏振波前探测能力。

 波前传感是天文观测、自由空间光通信、生物医学成像和自适应光学等领域的核心基础技术。随着光学系统向小型化、集成化方向快速发展，高性能波前传感器亟需兼具超大动态范围、高空间采样密度、偏振分辨能力与光子芯片集成特性。传统夏克-哈特曼波前传感器依赖折射微透镜阵列，受物理与制备极限制约，子孔径间距普遍达百微米量级（约10个子孔径/毫米），其几何动态范围仅约±1°，且无法分辨偏振相关的矢量波前畸变。尽管近年超表面的发展为波前传感提供了新的可能，但现有超表面方案仍需借助外部显微镜物镜或中继光学系统成像，无法实现真正的片上集成，且同样受制于动态范围与采样密度之间的内在权衡关系，难以同时兼顾大视场、高采样与高精度探测。

在这项研究中，研究团队巧妙地设计了基于双螺旋点扩散函数的双编码策略，从硬件层面同时打破了动态范围与采样密度的固有权衡。第一个维度是取向编码：每个子孔径生成具有明确方向特征的双螺旋点扩散函数，主瓣方向分别编码为0°、90°、45°和135°四种取向（图1a）。这些独特的“角度指纹”使各子孔径光斑在相邻子孔径之间具有高度辨识度，即便在极大波前倾斜下发生大幅位移时依然可以被精准区分，消除了传统圆形光斑的邻域串扰问题，将单偏振通道无歧义探测角度从约±1°一举拓展至±9.4°（图2e），动态范围提升近一个数量级，且丝毫不牺牲采样密度。第二个维度是正交偏振复用与差异化主瓣间距编码：在单个超表面中利用传输相位与几何相位联合调控，实现对左旋圆偏振和右旋圆偏振两个正交通道的独立相位设计。两个偏振通道的子孔径阵列被交错排布，同时其双螺旋点扩散函数的主瓣间距被设计为一个通道的主瓣间距恰好为另一个通道的一半（图1b）。这一差异化特征使得两个通道的光斑即使空间交叠也可被清晰区分，从而在不牺牲动态范围的前提下实现采样密度的有效翻倍，并天然赋予传感器偏振分辨矢量波前感知能力。

图1. 超表面波前传感器设计。（a）LCP通道中双螺旋点扩散函数在子孔径中的排布。（b）正交双偏振通道中双螺旋点扩散函数的交错排布。（c）超表面单元结构示意图。（d）LCP（e）RCP通道的基本周期单元相位分布。（f）基本周期单元的100倍光学显微镜图像。（g）所制备SiNx超表面的扫描电子显微镜图像。（h）片上集成超表面波前传感器照片。

实验表征结果表明，所设计超表面可精准生成预设双螺旋光场分布，实验光斑与仿真形貌高度吻合；单子孔径可实现 ±9.4° 超大角度无歧义探测，相较传统架构动态范围提升近一个数量级，系统最小可分辨角度低至 0.2°

图2. 超表面波前传感器的实验表征。a,b）LCP和RCP通道中测得的双螺旋点扩散函数阵列。（c,d）相应模拟结果。（e）不同入射角下单个点扩散函数的行为。（f）焦平面中双螺旋点扩散函数的实测强度分布。（g）f中橙色区域的放大视图。（h）重建的倾斜波前。

图3 点光源的三维定位。（a）实验装置示意图。（b）传感器结构截面示意图。（c,d）焦平面中双螺旋点扩散函数的实测强度分布。（e,f）分别为c和d中橙色区域的放大视图。（g-h）由双螺旋点扩散函数位移重建的波前。（i,j）点光源轴向z方向和横向y方向的实测位置与实际位置比较。

研究团队进一步通过三类标杆应用全面验证了该传感器的性能：在三维点源高精度定位中（图3），通过轴向和横向扫描重构点源空间坐标，波前重建精度高、定位误差小，大倾斜角度下仍无光斑混淆，位移范围远超传统半孔径极限；在透镜表面形貌测量中（图4），将待测透镜直接放置于传感器表面，无需复杂对准与参考光路，单次快照即可获取透镜面形高度分布与曲率半径，重建结果与标称参数高度匹配、残差误差极低，展示了无需扫描与参考臂的高精度光学元件快速检测能力；此外，视频级动态波前监测实验以视频帧率实时捕捉振动水滴表面的瞬态波前演化，成功实现了无扫描、无参考臂的全场动态波前检测，为微流体与界面力学研究提供了新型技术手段。

图4 透镜表面轮廓测量。（a）实验装置照片。（b）相对于透镜顶点的拟合高度分布、真实值以及拟合高度与真实值之间的残差。（c）不同参数透镜的实际曲率半径和重建曲率半径比较。

该项研究工作从硬件层面根本性地打破了波前传感动态范围与采样密度之间的固有权衡，实现了无需任何外部光学元件的芯片集成式波前传感，为免对准、高性能、可规模化量产的光学计量建立了全新的技术范式。该平台具备良好的拓展性：通过材料更换或消色差设计可拓展至不同工作波段；采用更精细的取向编码方案可进一步提升动态范围；偏振复用架构天然支持偏振分辨波前感知，有望实现相位与偏振状态的同时解码。结合优化的波前重构算法与GPU/FPGA硬件加速，该系统可达到亚毫秒重构时延，满足自适应光学、车载光电、天文成像、集成光子学等面向高帧率实时测量需求的应用场景。

该成果以“Chip-integrated metasurface with double-helix point spread functions for ultra-large dynamic range wavefront sensing”为题发表于Nature Communications，为片上集成、免对准、高性能波前计量建立了新的技术范式。南京大学李涛教授和隆仙博士后为共同通讯作者，南京大学博士研究生褚衍浩和硕士研究生李小鹏为论文共同第一作者，该工作得到祝世宁院士的悉心指导。该研究得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金委、南京大学789科技攻关项目以及中国博士后基金项目的支持。