基于旋转超构表面的“光谱-偏振”热成像技术

MEMS 2024-01-26 00:01

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随着热成像技术在国防、医疗、工业监控等关键领域的应用日益增长，对其精度和灵活性的要求也不断提升。据麦姆斯咨询报道，近日，美国普渡大学研究团队开发出了一种创新的超构光学（meta-optical）热成像系统。该系统采用先进的超构表面（metasurface）技术，克服了传统光谱热像仪体积笨重和脆弱等问题，不仅提供了更为丰富的成像信息，还大大拓展了热成像在自主导航、安全监控、医学成像、遥感等领域的应用前景。

美国普渡大学研究团队将相关研究成果以“Spinning metasurface stack for spectro-polarimetric thermal imaging”为题发表在Optica期刊上。

超构光学光谱偏振热像系统的协同创新

普渡大学研究团队的负责人Zubin Jacob表示：“我们的方法成功解决了传统光谱热成像技术面临的挑战。传统方法依赖于笨重的滤光片轮或干涉仪，而我们结合了超构光学器件和尖端计算成像算法，创造出了紧凑稳定且具有宽视角的系统。”

研究人员开发的光谱偏振分解系统采用一维（1D）旋转超构表面，将光分解成光谱和偏振分量。这一技术不仅能够捕获传统热成像所提供的强度信息，还能详细揭示热辐射的光谱和偏振特性。本研究所提的长波红外（LWIR）光谱-偏振热成像系统如图1所示。

图1 长波红外光谱-偏振热成像系统

实验表明，这种新型热成像系统可以与商用热像仪结合使用，有效区分不同材料，这在传统热成像技术中往往难以实现。该系统能够识别温度变化，并根据光谱偏振特征对材料进行精确识别，对于提高自主导航等应用的安全性和效率具有重要意义。

论文第一作者、普渡大学博士后Xueji Wang指出：“传统自主导航系统主要依赖于RGB摄像头，在弱光或恶劣天气等极端条件下性能受限。我们的光谱偏振热像仪与热辅助探测和测距技术相集成，在这些复杂环境下能够提供更清晰、更详细的图像，一旦实现实时视频捕获，将显著增强场景感知能力和整体安全性。”

小尺寸大用途：大面积超构表面优化成像的尺寸与性能

长波红外光谱偏振成像技术在夜视、机器视觉、痕量气体传感等领域至关重要。然而，目前的光谱偏振长波红外热像仪体积庞大，光谱分辨率和视场有限。为了克服这些限制，研究人员将目光投向了大面积超构表面。这种超薄结构表面能够以复杂的方式精准操控光线。研究人员设计了一种具有特定红外反应特性的超构表面（如图2），并开发相应的制造工艺，使得这些超构表面能够适用于制备成像应用的大尺寸纺丝器件（直径达2.5 cm）。由此制备出的旋转堆叠器件尺寸小巧（仅为10 cm × 10 cm × 10 cm），可与传统红外热像仪配合使用。

图2 旋转超构表面的设计和表征

Xueji Wang进一步解释说：“将这些大面积超构光学器件与计算成像算法结合，极大地提高了热辐射光谱的重建效率，使得光谱偏振热成像系统更加紧凑、强大和高效。”

热成像助力材料分类

为了评估这一系统的性能，研究团队利用多种材料和微观结构，拼凑出了“PURDUE”字样，每种材料和微观结构都有其独特的光谱偏振特征（如图3所示）。通过分析系统捕捉到的光谱偏振信息，该系统能够精准地识别出不同的材料和物体。相较于传统热成像方法，其材料分类精度提高了三倍，充分展示了该系统的高效性和多功能性。