一、核心定義與技術(shù)使命
    光學(xué)波前作為光波相位面的幾何表征，即光的“形狀”特征，其蘊(yùn)含著傳播介質(zhì)及被測(cè)物體的關(guān)鍵信息。然而，常規(guī)相機(jī)、手機(jī)傳感器等設(shè)備僅能捕獲光的強(qiáng)度信息，難以直接獲取相位參數(shù)。光學(xué)波前傳感技術(shù)的核心使命，是通過(guò)干涉儀、微透鏡陣列、衍射光柵等專(zhuān)用器件，將不可見(jiàn)的相位信息轉(zhuǎn)換為可觀測(cè)的強(qiáng)度圖像，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)波前信息的精準(zhǔn)獲取，攻克光場(chǎng)感知領(lǐng)域的核心技術(shù)瓶頸。

    二、技術(shù)應(yīng)用需求與傳統(tǒng)技術(shù)局限
    1.典型場(chǎng)景中的波前畸變問(wèn)題
    在天文觀測(cè)領(lǐng)域，地球大氣湍流會(huì)導(dǎo)致星光波前發(fā)生扭曲，引發(fā)星體“閃爍”現(xiàn)象，造成成像模糊；在生物顯微鏡應(yīng)用中，細(xì)胞內(nèi)部折射率的非均勻分布會(huì)產(chǎn)生相位延遲，對(duì)成像的對(duì)比度與分辨率產(chǎn)生不利影響；在激光系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，光學(xué)元件的固有缺陷或外部環(huán)境擾動(dòng)會(huì)誘發(fā)波前畸變，直接降低激光加工精度或激光通信質(zhì)量。
    2.傳統(tǒng)技術(shù)的固有短板
    傳統(tǒng)波前傳感設(shè)備，如夏克哈特曼傳感器、干涉儀、曲率傳感器等，雖具備較高的測(cè)量精度，但普遍存在體積龐大、制造成本高昂、光路調(diào)試流程復(fù)雜等問(wèn)題，難以滿足民用場(chǎng)景、便攜設(shè)備研發(fā)或大規(guī)模部署應(yīng)用的實(shí)際需求。

    三、核心技術(shù)路徑分類(lèi)及最新進(jìn)展
    現(xiàn)代波前傳感技術(shù)依據(jù)是否依賴光場(chǎng)中不同位置的干涉效應(yīng)，可劃分為干涉型與非干涉型兩大類(lèi)，各類(lèi)技術(shù)路徑均取得顯著突破：
    1.干涉型波前傳感技術(shù)
    該類(lèi)技術(shù)通過(guò)光的干涉效應(yīng)將相位差轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度變化，具體細(xì)分為三類(lèi)：
    剪切干涉型：傳統(tǒng)剪切干涉儀依賴晶體棱鏡或偏振元件，調(diào)試流程復(fù)雜。近年來(lái)，超構(gòu)表面技術(shù)的興起實(shí)現(xiàn)了技術(shù)革新，2020年已有研究團(tuán)隊(duì)利用雙層介電超表面，在單次拍攝中同步獲取三幅微分干涉對(duì)比圖像，完成定量相位成像，大幅縮減了系統(tǒng)體積；2024年，相關(guān)團(tuán)隊(duì)采用單層超透鏡與偏振相機(jī)組合方案，實(shí)現(xiàn)四方向剪切干涉，可一次性復(fù)原完整的復(fù)雜光場(chǎng)振幅與相位，為替代傳統(tǒng)體積龐大的干涉光路系統(tǒng)提供了可能。
    光柵干涉型：夏克哈特曼波前傳感器是該類(lèi)技術(shù)的典型代表，其通過(guò)微透鏡陣列將入射光聚焦為多個(gè)光點(diǎn)，借助光點(diǎn)位移反推波前斜率。新一代商用產(chǎn)品（如法國(guó)Phasics公司的SID4）已摒棄微透鏡設(shè)計(jì)，采用特制棋盤(pán)狀相位光柵板，通過(guò)多波橫向剪切干涉技術(shù)，在提升空間分辨率的同時(shí)，有效規(guī)避了傳統(tǒng)方法中的衍射誤差；此外，角度敏感像素技術(shù)將微光柵結(jié)構(gòu)集成于圖像傳感器，利用Talbot效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)入射角度的響應(yīng)，為無(wú)透鏡成像技術(shù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
    近場(chǎng)干涉型：受寄生蠅等生物聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)近場(chǎng)耦合機(jī)制啟發(fā)，該類(lèi)技術(shù)利用亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)耦合效應(yīng)突破遠(yuǎn)場(chǎng)傳播的衍射極限，實(shí)現(xiàn)高靈敏度波前信息提取。2021年，研究團(tuán)隊(duì)基于微米諧振器構(gòu)建的角度傳感器，其空間采樣密度達(dá)到9246點(diǎn)/mm²，約高出商用夏克哈特曼傳感器兩個(gè)數(shù)量級(jí)，為傳感設(shè)備的微型化、集成化發(fā)展提供了新路徑。
    2.非干涉型波前傳感技術(shù)
    該類(lèi)技術(shù)不依賴相位差與干涉條紋，通過(guò)算法重構(gòu)或維度關(guān)聯(lián)實(shí)現(xiàn)波前復(fù)原，具體包括：
    算法重構(gòu)型：傳統(tǒng)算法以GerchbergSaxton算法為代表，通過(guò)在實(shí)空間與頻域之間反復(fù)迭代恢復(fù)相位。近年來(lái)，深度學(xué)習(xí)技術(shù)的融入實(shí)現(xiàn)了重大突破，研究者利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可直接從夏克哈特曼傳感器的光點(diǎn)圖中預(yù)測(cè)波前，省去了繁瑣的斜率計(jì)算與Zernike擬合步驟，顯著提升了波前重建的速度與精度。
    維度關(guān)聯(lián)型：該技術(shù)創(chuàng)新性地將波前信息“映射”至顏色、偏振等成熟光學(xué)維度，借助現(xiàn)有高性能彩色相機(jī)、偏振相機(jī)實(shí)現(xiàn)波前傳感。2023年，相關(guān)團(tuán)隊(duì)提出基于鈣鈦礦納米晶體陣列的波前傳感器，將入射角度編碼為輸出顏色，實(shí)現(xiàn)了從X射線到可見(jiàn)光范圍的波前探測(cè)；同年，另一團(tuán)隊(duì)利用多層介質(zhì)薄膜濾波器，將波前梯度映射到偏振態(tài)變化，結(jié)合偏振相機(jī)完成單次拍攝的二維波前重建，該類(lèi)方法規(guī)避了傳統(tǒng)干涉法的復(fù)雜解算過(guò)程，兼具高集成度與實(shí)時(shí)性優(yōu)勢(shì)。

    四、現(xiàn)存技術(shù)挑戰(zhàn)與未來(lái)突破方向
    1.當(dāng)前核心技術(shù)瓶頸
    空間分辨率不足：商用波前傳感器的像素規(guī)模通常在數(shù)千至數(shù)萬(wàn)級(jí)別，顯著低于普通商用相機(jī)的千萬(wàn)級(jí)像素水平；
    實(shí)時(shí)處理能力薄弱：復(fù)雜波前數(shù)據(jù)的重建過(guò)程需進(jìn)行大量計(jì)算，限制了其在動(dòng)態(tài)場(chǎng)景中的應(yīng)用；
    系統(tǒng)成本居高不下：傳統(tǒng)干涉類(lèi)設(shè)備制造成本高昂，難以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；占皯?yīng)用；
    環(huán)境適應(yīng)性較差：在強(qiáng)散射、大畸變、多波長(zhǎng)或部分相干光等復(fù)雜場(chǎng)景下，技術(shù)性能會(huì)急劇下降。
    2.未來(lái)四大重點(diǎn)突破方向
    新原理探索：深入研究時(shí)間維度（如超快脈沖波形）、光譜維度乃至量子態(tài)維度的多維度關(guān)聯(lián)機(jī)制，打破傅里葉變換帶來(lái)的空間頻率分辨率限制，構(gòu)建高維度光場(chǎng)感知系統(tǒng)；
    新結(jié)構(gòu)研發(fā)：重點(diǎn)發(fā)展基于超構(gòu)表面的微納光學(xué)元件，實(shí)現(xiàn)傳感器的輕薄化、多功能化與集成化；開(kāi)發(fā)具有非局域響應(yīng)特性的光學(xué)微納結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光場(chǎng)頻率域的直接操控；推進(jìn)動(dòng)態(tài)可調(diào)超構(gòu)表面技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)波前傳感與工作模式實(shí)時(shí)切換；
    新算法優(yōu)化：深度融合深度學(xué)習(xí)與物理模型，提升波前重建的精度、速度與魯棒性；重點(diǎn)研發(fā)面向復(fù)雜動(dòng)態(tài)光學(xué)環(huán)境的自適應(yīng)算法、多維波前數(shù)據(jù)優(yōu)化算法，探索量子計(jì)算在海量波前數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用潛力；
    新器件開(kāi)發(fā)：研發(fā)可同步感知偏振、光譜等多維光場(chǎng)信息的傳感器，為生物醫(yī)學(xué)、材料分析等領(lǐng)域提供更豐富的物體信息（如折射率、物質(zhì)成分、應(yīng)力分布等）；推行“算法硬件協(xié)同設(shè)計(jì)”理念，在設(shè)計(jì)初期將光學(xué)硬件與計(jì)算算法作為整體進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)光學(xué)編碼與計(jì)算解碼的高效匹配，平衡維度探測(cè)能力與時(shí)空分辨率。

    五、技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)與應(yīng)用前景
    光學(xué)波前傳感技術(shù)正從依賴復(fù)雜體光學(xué)元件的傳統(tǒng)干涉時(shí)代，穩(wěn)步邁向以“微納結(jié)構(gòu)（波前編碼器）+人工智能（智能解碼器）”為核心的全新發(fā)展范式。隨著微納光學(xué)與人工智能技術(shù)的深度融合，未來(lái)的波前傳感器將朝著小巧便攜、智能高效、成本可控的方向發(fā)展，有望成為下一代智能視覺(jué)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配置。
    該技術(shù)已廣泛滲透于現(xiàn)代科技的多個(gè)領(lǐng)域，從天文望遠(yuǎn)鏡、激光加工設(shè)備到生物顯微鏡、手機(jī)攝像頭，其應(yīng)用場(chǎng)景持續(xù)拓展。未來(lái)，該技術(shù)將在醫(yī)療診斷、工業(yè)檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、自動(dòng)駕駛及消費(fèi)電子等領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用，為高維光場(chǎng)信息感知領(lǐng)域開(kāi)辟全新發(fā)展空間。