角度传感器允许在视频速度下进行微观测量

通过显微镜观察可以发现各种各样的信息——样品材料的结构、组成甚至原子排列。但是量化显微镜所看到的是非常棘手的，因为通常需要专门的工具来进行这样微小的测量。

当研究人员想要绘制和测量地形(样品表面的整体形状和特征)时，他们依赖于被称为白光干涉仪的大型台式设备，这种设备可以一直测量到几十纳米的特征。

然而，问题是这些干涉仪需要一分钟才能产生一次测量结果。这对于记录随时间变化的变化来说太慢了。

现在，由平面光学元件制成的超紧凑角度传感器以每秒30帧的速度捕获这些测量数据，从而实现高分辨率视频功能。一个由Zongfu余他是一名副教授电气与计算机工程在威斯康辛大学麦迪逊分校，他创造了传感器，描述在2021年10月13日自然通讯．

“你可以通过显微镜了解一种材料是什么样子的，”Yu说，“但定量测量表面形态会给你更多的信息。”

该设计通过使用Yu团队开发的一种新型传感器来测量光的波前。光以电磁波的形式传播，但目前还没有办法直接测量这种波前——光波的形状。相反，研究人员只能在它与另一个光波相互作用时(这个过程称为干涉)，或者当波前被反射或折射时才能测量它。

为了测量波阵面，电流传感器使用一束光来产生干涉图案，然后通过插值来提供有关其形状的信息。另一种当前的方法叫做基于角度的波前传感，它使用微透镜网格对波前的入射角进行采样，从而产生图像。

实际上，这两种方法都很慢，体积大，分辨率低。

为了生产它的角度传感器，Yu的团队修改了一个现成的6.6毫米CMOS传感器——许多手机摄像头中发现的平面传感器——它使用数百万像素来产生图像。利用光刻技术，该团队在传感器上沉积了一层极薄的铝层，产生了一个由微小方孔组成的网格，每个方孔仅由4个5.2微米的像素组成。每个四像素的正方形就像一个角度传感器，能够确定波阵面的入射角。CMOS芯片上的数百万个微小角度传感器结合在一起，共同作为波前传感器工作，并可以创建高分辨率的表面形貌测量。

与其他技术相比，这种波前传感器最显著的优势是它的高分辨率，比传统的基于角度的传感器大两个数量级。这使得该设备能够足够快地收集图像，从而实时生成形态变化的高分辨率视频。作为测试，Yu和他的团队使用该设备分析了一小滴液体聚合物，记录了他们使用热风枪干燥聚合物时的微观表面变化。

这种传感器足够小，可以装进手机大小的外壳中，可以应用于许多不同的研究和工业领域。“例如，这可以用于材料制造。如果你需要一个非常光滑的表面，你可以用它来测量原子的光滑度，或者你可以观察生物样本，以及活组织如何随着时间的推移而变化。”

-由Chris Vavra编辑，网页内容经理，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com．

您是否具有本内容中提到的主题的经验和专业知识?你应该考虑为我们的CFE媒体编辑团队做出贡献，并获得你和你的公司应得的认可。点击在这里开始这个过程。