研究进展：光学波前整形-集成相位测量传感器 | Nature Reviews Electrical Engineering

基于堆叠技术，实现像素级光感控一体化，释放波前控制潜能

在光学介质中，光学波前整形Optical wavefront shaping技术，可用于补偿因散射、像差或非均匀性引起的畸变，基于精准相位控制，增强了光在混浊turbid环境中的穿透能力。集成相位测量传感器，将光传感与调制功能，以像素级别集成在单个器件内，从而降低了对准精度要求，并且突破了带宽限制。

1、集成相位测量与调制传感器解析

光学波前控制系统，需要具备空间相位测量与调制能力的组件。光学相位共轭conjugation技术，可实现快速（通常单次曝光）校正，这种高速响应特性适用于动态介质，但要求记录臂与回放臂间达到极高的对准精度。传输矩阵Transmission matrix方法，确定性高分辨率控制了输出波前，但需要频繁重新校准，并保持微米级力学稳定性。相比之下，迭代优化iterative optimization技术（通过重复反馈过程，逐步逼近最优解的系统化方法），通过依赖目标反馈简化硬件配置，这类方法，降低了对精确像素级对准的依赖，但较慢的收敛速度，限制了时间带宽，在快速变化环境中，鲁棒性也不好。基于深度学习的新兴无模型model-free机器学习，缓解了部分校准难题，但仍需大量训练数据和计算资源，而且在分布偏移时的性能表现，仍是待解挑战。

近日，法国 格勒诺布尔-阿尔卑斯大学（Université Grenoble Alpes）Arnaud Verdant & Pierre L. Joly，在Nature Reviews Electrical Engineering上发表评论文章，报道了集成波前控制技术，即基于堆叠技术，实现像素级光感控一体化，释放波前控制潜能，革新光学应用。

2 迈向更深层次集成

自21世纪初以来，CMOS成像技术与材料领域的研究进展，可解决当前集成相位测量传感器（IPMS）面临的挑战与局限，并赋予新功能，实现相位调制的前所未有实时控制。

先进图像传感器的核心在于，新型光敏架构与3D堆叠技术。例如，间接飞行时间（iToF）图像传感器中，常用的多抽头像素技术multi-tap pixels，可对光生电荷进行快速、紧凑的内置解调。结合背面照明Back-Side Illuminated，BSI与深沟隔离（DTI）技术，可在降低像素串扰的同时，提升灵敏度与光测量信噪比。此外，密集3D互连技术，使得复杂像素读出方案与额外处理功能的实现成为可能，而且不影响像素填充因子。在此架构下，光采集与调制链路垂直分布于多层堆叠结构中，每层均针对嵌入式功能需求定制：液晶盒负责光调制，专用层实现高效光电转换，而模拟与数字功能则集成于高密度电路层。此配置中，层间互连可采用混合键合（hybrid bonding）或硅通孔（TSV）技术。（Camera sensor 堆叠技术简介）

（注：多抽头像素是一种先进的CMOS图像传感器设计，其核心在于单个像素内集成多个电荷存储节点（“抽头”）。每个抽头可在不同时间窗口内独立采集光生电荷，通过时序控制实现光信号的高效解调。例如，在间接飞行时间（iToF）传感器中，四个抽头分别对应不同相位延迟的调制光信号，通过比较各抽头的电荷量精确计算光的相位差，从而获取深度或距离信息。）

基于上述特性，可构想一种先进IPMS架构（图1）。在像素前端与光电二极管设计中，四抽头four-tap方案，可替代现有IPMS像素中，笨重的开关电容电路，缩小像素尺寸。通过数字化表征，π/2分辨率相位测量结果，可进一步优化液晶控制——例如，利用像素级局部可编程相位偏移补偿液晶盒的残余光学缺陷。此外，通过像素群相位信息共享或全相位图协同处理，结合智能实时相位调制，有望开拓全新应用场景。

然而，在先进IPMS设计中，需深入探究此类采集与处理链的集成方案——既要充分利用3D层堆叠的技术潜力，亦需规避其潜在缺陷。例如，背面像素照明，需在像素层背面制作像素化再分布层，以实现反射电极功能，而像素级硅通孔（TSV），虽能确保像素电极与液晶控制间的连接，却会牺牲填充因子。

此外，为适配多样化应用场景，需采用全2π范围高速液晶材料。铁电晶体，虽可实现微秒级快速响应（数十至数千微秒），但相位调制范围有限（0~π/2）且需高电压驱动（>10 V），还与CMOS图像传感器工艺不兼容。因此，亟需液晶与材料科学的突破。同时，必须考虑液晶弛豫特性，以提升系统等效帧率，为此，可借鉴显示器中常用的平面内切换（IPS）技术，快速复位液晶至初始状态。

最后，应采用晶圆级硅基液晶LCOS工艺，实现液晶盒与CMOS图像传感器的集成，以最小化液晶盒平面度缺陷，并优化光学性能。

3 实验室之外的潜在应用场景

该集成器件。凭借高分辨率、高速波前测量与操控能力，特别适配光学相位共轭系统。在自适应光学中，可动态校正大气湍流引发的相位畸变；在自由空间光通信中，通过实时校正环境扰动导致的相位失真，提升信号鲁棒性与传输可靠性；激光应用，则可借助实时波前校正优化光束聚焦性能。此外，全息显示与增强现实，可利用该技术实现实时波前调控，增强立体感知与显示真实感。

医学影像领域同样受益：精准相位调制，可提升生物组织诊断能力，而实时波前调控功能，可优化特定治疗方案。例如，在光热治疗应用中，该器件可将光线精准聚焦于超声调制引导星标记的组织区域，结合光吸收剂，使局部温度升至可控阈值，诱导靶向细胞凋亡的同时保护健康组织。其实，自适应调制能力，还可补偿活体组织动态不稳定性，提升治疗精度。在光遗传学中，通过特定波长光激活细胞光敏蛋白，结合空间精准光调控，可实现神经元基因修饰与功能表达。然而，需克服前文所述制造挑战与调制速度限制，方能推动该技术真正走向临床。

4 结论

将光传感与波前调控功能集成于像素级别，标志着自适应光学与相位共轭系统的重大突破。功能增强性、环境鲁棒性、规模扩展性与结构紧凑性，不仅赋能现有应用，更将催生新兴场景。尽管制造工艺与响应速度，仍存瓶颈，但设计、工艺与材料工程的持续进步，有望释放全部潜力。未来研究需聚焦于优化响应速度、降低光学损耗、完善控制策略，并创新集成方案，以加速该技术在先进光学系统中的普及应用。

该项研究论述了光学波前控制技术，通过补偿介质散射、像差或非均匀性引发的畸变，为复杂环境下的精准光操控提供新可能。当前主流技术，包括光学相位共轭（单次快速校正，但需极高对准精度）、传输矩阵法（高分辨率控制，依赖频繁校准）及迭代优化技术（硬件简化，但收敛速度受限）。新兴的深度学习与无模型方法虽缓解校准难题，却面临数据与算力需求挑战。

技术优势：集成相位测量传感器（IPMS）通过像素级光感控一体化，结合液晶单元与定制CMOS传感器，实现天然空间对准，突破传统分立器件的带宽与体积限制。相较于传统二进制空间光调制器，其数字控制的π/2相位调制精度更高，硅基液晶（LCOS）工艺进一步降低成本。

应用前景：在自适应光学中，IPMS可动态校正大气湍流；自由空间光通信通过实时相位校正提升信号可靠性；医疗领域，光热治疗可靶向诱导细胞凋亡，光遗传学实现神经元精准调控；全息显示与增强现实则借助实时波前整形提升视觉体验。

材料领域：3D堆叠技术（如多抽头像素、混合键合）推动器件微型化与功能集成；快速响应液晶材料（如铁电晶体）与平面内切换（IPS）技术提升系统帧率；背面照明与深沟隔离技术优化信噪比。未来需攻克液晶调制范围扩展（至2π）与CMOS工艺兼容性难题。随着设计与材料工程的进步，波前控制技术。有望在光学系统、生物医学及通信领域开启全新范式，推动高精度实时调控迈向产业化应用。

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