红外辐射热成像技术因其非接触式的特性而被广泛应用于各个领域。传统红外探测器的响应强弱受到待测物温度影响的同时，也会受到材料发射率的影响。这会引起许多误差，使得实际温度难以准确测量。比色测温法是一种与发射率无关的辐射测温方法。这项技术要求测量两个或多个光谱波段的辐射，并根据波段之间的辐射强度关系计算物体的温度，从而减少发射率带来的干扰。然而，这种方法往往需要笨重的光学系统、繁冗的滤光片成像配置或者复杂的传感器结构。
图1 双波段超构透镜比色热成像示意图
考虑到现有方法的局限性，中国科学技术大学微纳米复合材料实验室赵旸教授和香港城市大学电机工程系陈沐谷助理教授团队展开合作，研究设计了一款用于红外比色热成像的双波段超构透镜。其中心波长为9.5 µm和12.5 µm，可以将红外辐射根据波长分别聚焦于两个水平错开的焦点上。在保持光学系统的简单和紧凑的同时，该方法在60-180℃的温度范围内使测温的平均误差降低了50.16%。这一研究为在复杂环境中的动态红外检测和多目标红外检测提供了新的可能性。相关研究成果以“Colorimetric Thermography by a Long-Infrared Dual-Band Metalens”为题，发表在纳米科学Top期刊《Advanced Science》。
图2 双波段超构透镜比色热成像原理
超构透镜是一种基于亚波长结构设计的平面透镜，通过亚波长结构的排列组合灵活操控光波的相位、幅度或偏振，可以实现光的精确聚焦和控制。这种技术使得超构透镜具有紧凑的尺寸、设计灵活性和对不同光谱的高效控制能力。本工作中的双波段超构透镜采用了纳米结构空间复用的设计方法，在单个孔径内编码了两种薄透镜的相位分布。如图2所示，当宽带光通过超构透镜时，它对不同波长的光分量施加了特定的调控。这两个等效透镜具有相同的聚焦距离，但在离轴方向上具有不同的对齐位置（+x₀ 和 -x₀），从而在单个红外传感器的不同区域上形成两个相邻的图像。基于一对输入图像，计算两幅输入图像中对应像素的强度比值，然后通过插值确定相应的温度值，即可生成最终的热成像图。
图3 双波段超构透镜的波长选择性聚焦与双波段成像
实验中超构透镜的双聚焦与双波段成像的效果如图三所示。研究者在平面光源与超构透镜之间交替插入不同波段的滤光片，用于测量在不同波长下聚焦的分布。测量与模拟的焦平面光强分布相互吻合较好，实际测得两个焦点之间的距离为1.03 cm，与设计值1 cm接近。光强随着入射波长的增加从右焦点逐渐转移至左焦点，验证了双波段超构透镜波长选择与聚焦的特性。
图4 比色热成像的实验设置与结果
本工作在实验上测量了温度与强度比之间的关系曲线，并对低发射率物体进行了比色热成像，实验装置如图4(a)所示。由于发射率的差异（玻璃：0.9，CuO：0.51），尽管两片薄片的温度相同，其热图像的亮度却显著不同。研究者选用具有高且稳定发射率的玻璃作为黑体，通过测量其在不同温度下的强度比，绘制出可用于比色测温的标定曲线，标定曲线表现出显著的线性关系。由于低发射率的影响，在未设定发射率参数的情况下，商业红外相机测得的CuO温度与实际温度存在明显偏差。本工作通过比色测温法对CuO进行测温，校正后的温度结果如图4(d)中的紫色曲线所示。采用比色方法后，测得的温度曲线与标准曲线更加吻合。进一步计算测量曲线与标准曲线之间的面积（误差程度）发现，在60至180摄氏度的温度范围内，平均误差减少了50.16%。
中国科学技术大学与香港城市大学联合培养博士生罗振东、特任副研究员张鹏为共同第一作者，赵旸教授、陈沐谷助理教授为本文共同通讯作者。中国科学技术大学张忠教授和汪国睿教授、清华大学耿子涵教授为本工作提供了指导性建议。该工作得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国香港特别行政区大学教育资助委员会/研究资助局GRF项目资助。部分实验工作在中国科学技术大学微纳研究与制造中心、工程与材料科学实验中心完成。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202408683
