基于衍射光学元件的紧凑型宽视场近红外入射方向传感系统

《IEEE Photonics Journal》：Compact Wide-Field-of-View Near-Infrared Incident-Direction Sensing System Based on a Diffractive Optical Element

本文报道了一种基于衍射光学元件（DOE）的紧凑型宽视场近红外入射方向传感系统。研究人员针对室内定位技术存在的设备尺寸大、视角窄等问题，开发了通过单透镜实现入射角到焦平面位置映射的创新方案。实验结果表明该系统在940 nm波长下可实现70°视角的精确探测，视角范围较传统透镜系统提升近一倍。这项研究为下一代智能设备的小型化宽角度光学传感提供了重要技术路径。

　　

随着智能家居和物联网技术的快速发展，室内定位与方向感知技术正面临前所未有的挑战。在室外环境中，全球定位系统（GPS）已经能够提供米级精度的定位服务，但当人们进入室内环境，卫星信号会因建筑材料的衰减和多径传播效应而急剧恶化。更棘手的是，消费电子设备对体积和功耗的严苛限制，使得传统的射频、声学或磁性定位方案难以满足实际应用需求。

想象一下这样的场景：当您在家中与智能设备互动时，空调能自动调节风向对准您的位置，电视能根据观看角度优化音场，智能音箱能定向传递声音——这些个性化服务都离不开精确的入射方向感知技术。然而，现有光学角度到达（AoA）传感系统往往受限于狭窄的探测视角（通常仅40°）、庞大的传感器阵列或复杂的光学结构，难以在消费级产品中实现规模化应用。

正是在这样的技术背景下，韩国成均馆大学的研究团队在《IEEE Photonics Journal》上发表了一项突破性研究。他们成功开发了一种基于衍射光学元件（DOE）的紧凑型宽视场近红外入射方向传感系统，以创新的光学设计思路解决了传统技术面临的困境。

这项研究的核心技术方法主要包括：基于相位调制原理的DOE透镜设计（焦距2.5 mm，工作波长940 nm）、微纳加工制备技术（使用IP-S光刻胶在N-BK7玻璃基底上制作微结构）、以及角度分辨光学测试系统（通过旋转平台精确控制入射角，CMOS相机记录焦斑位置）。研究人员通过系统性的仿真与实验验证，建立了入射角与焦平面位置的精确映射关系。

衍射光学元件设计

研究团队采用经典的相位调制公式φ(r)=-2π/λ(√r²+f²-f)进行DOE设计，其中λ=940 nm，f=2.5 mm。通过控制微结构的蚀刻深度Δz来实现精确的相位延迟，其关系满足φ_delay=(n-1)Δz·2π/λ（n=1.5035）。

这种设计使得不同入射角的光线都能会聚到同一焦平面，与传统透镜的曲面焦面形成鲜明对比。

实验验证与性能分析

研究人员搭建了精密的测试系统，使用940 nm LED作为点光源，通过孔径为2.5 mm的光阑控制光束轮廓。

实验结果显示，当入射角从0°增加到70°时，焦斑在探测器平面上呈现规律性位移。

通过高斯拟合提取焦斑中心位置，实验数据与仿真结果高度吻合，最大偏差仅出现在70°入射角时（7.3%差异）。

制造工艺影响分析

研究发现在DOE边缘区域（最小特征尺寸0.77 μm）存在制造缺陷，这些区域的结构不规则性会导致光学像差。

当入射角增大时，光线主要通过边缘区域传播，导致焦斑质量下降。同时，随着入射角增大，有效通光面积减小，在60°入射角时光强衰减至10%以下。

这项研究通过创新的DOE设计实现了视角范围从40°到70°的显著提升，同时保持了2.5 mm的超短焦距。尽管在较大入射角时存在光强衰减和制造缺陷带来的挑战，但通过质心拟合方法仍能保证角度检测的可靠性。研究人员指出，未来通过改进微纳加工工艺或采用金属透镜（metalens）技术，可以进一步扩大视角范围并提升系统性能。该技术为消费电子设备的小型化宽角度光学传感提供了切实可行的解决方案，展现了衍射光学在下一代智能设备中的巨大应用潜力。