基于旋轉(zhuǎn)超構(gòu)表面的“光譜-偏振”熱成像技術(shù)開發(fā)

隨著熱成像技術(shù)在國防、醫(yī)療、工業(yè)監(jiān)控等關(guān)鍵領(lǐng)域的應(yīng)用日益增長，對其精度和靈活性的要求也不斷提升。據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，美國普渡大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了一種創(chuàng)新的超構(gòu)光學(xué)（meta-optical）熱成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用先進(jìn)的超構(gòu)表面（metasurface）技術(shù)，克服了傳統(tǒng)光譜熱像儀體積笨重和脆弱等問題，不僅提供了更為豐富的成像信息，還大大拓展了熱成像在自主導(dǎo)航、安全監(jiān)控、醫(yī)學(xué)成像、遙感等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

美國普渡大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)將相關(guān)研究成果以“Spinning metasurface stack for spectro-polarimetric thermal imaging”為題發(fā)表在Optica期刊上。

超構(gòu)光學(xué)光譜偏振熱像系統(tǒng)的協(xié)同創(chuàng)新

普渡大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人Zubin Jacob表示：“我們的方法成功解決了傳統(tǒng)光譜熱成像技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)方法依賴于笨重的濾光片輪或干涉儀，而我們結(jié)合了超構(gòu)光學(xué)器件和尖端計(jì)算成像算法，創(chuàng)造出了緊湊穩(wěn)定且具有寬視角的系統(tǒng)?！?/p>

研究人員開發(fā)的光譜偏振分解系統(tǒng)采用一維（1D）旋轉(zhuǎn)超構(gòu)表面，將光分解成光譜和偏振分量。這一技術(shù)不僅能夠捕獲傳統(tǒng)熱成像所提供的強(qiáng)度信息，還能詳細(xì)揭示熱輻射的光譜和偏振特性。本研究所提的長波紅外（LWIR）光譜-偏振熱成像系統(tǒng)如圖1所示。

圖1長波紅外光譜-偏振熱成像系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)表明，這種新型熱成像系統(tǒng)可以與商用熱像儀結(jié)合使用，有效區(qū)分不同材料，這在傳統(tǒng)熱成像技術(shù)中往往難以實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)能夠識(shí)別溫度變化，并根據(jù)光譜偏振特征對材料進(jìn)行精確識(shí)別，對于提高自主導(dǎo)航等應(yīng)用的安全性和效率具有重要意義。

論文第一作者、普渡大學(xué)博士后Xueji Wang指出：“傳統(tǒng)自主導(dǎo)航系統(tǒng)主要依賴于RGB攝像頭，在弱光或惡劣天氣等極端條件下性能受限。我們的光譜偏振熱像儀與熱輔助探測和測距技術(shù)相集成，在這些復(fù)雜環(huán)境下能夠提供更清晰、更詳細(xì)的圖像，一旦實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視頻捕獲，將顯著增強(qiáng)場景感知能力和整體安全性。”

小尺寸大用途：大面積超構(gòu)表面優(yōu)化成像的尺寸與性能

長波紅外光譜偏振成像技術(shù)在夜視、機(jī)器視覺、痕量氣體傳感等領(lǐng)域至關(guān)重要。然而，目前的光譜偏振長波紅外熱像儀體積龐大，光譜分辨率和視場有限。為了克服這些限制，研究人員將目光投向了大面積超構(gòu)表面。這種超薄結(jié)構(gòu)表面能夠以復(fù)雜的方式精準(zhǔn)操控光線。研究人員設(shè)計(jì)了一種具有特定紅外反應(yīng)特性的超構(gòu)表面（如圖2），并開發(fā)相應(yīng)的制造工藝，使得這些超構(gòu)表面能夠適用于制備成像應(yīng)用的大尺寸紡絲器件（直徑達(dá)2.5 cm）。由此制備出的旋轉(zhuǎn)堆疊器件尺寸小巧（僅為10 cm× 10 cm × 10 cm），可與傳統(tǒng)紅外熱像儀配合使用。

圖2 旋轉(zhuǎn)超構(gòu)表面的設(shè)計(jì)和表征 Xueji Wang進(jìn)一步解釋說：“將這些大面積超構(gòu)光學(xué)器件與計(jì)算成像算法結(jié)合，極大地提高了熱輻射光譜的重建效率，使得光譜偏振熱成像系統(tǒng)更加緊湊、強(qiáng)大和高效。”

熱成像助力材料分類

為了評估這一系統(tǒng)的性能，研究團(tuán)隊(duì)利用多種材料和微觀結(jié)構(gòu)，拼湊出了“PURDUE”字樣，每種材料和微觀結(jié)構(gòu)都有其獨(dú)特的光譜偏振特征（如圖3所示）。通過分析系統(tǒng)捕捉到的光譜偏振信息，該系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)地識(shí)別出不同的材料和物體。相較于傳統(tǒng)熱成像方法，其材料分類精度提高了三倍，充分展示了該系統(tǒng)的高效性和多功能性。

圖3光譜偏振熱成像結(jié)果 研究人員表示，這種新方法對于需要精確熱成像的應(yīng)用場景特別有用，比如在安防領(lǐng)域，它能夠通過檢測人員身上的隱藏物品或物質(zhì)，徹底改變機(jī)場安檢系統(tǒng)。此外，其緊湊型設(shè)計(jì)也使其更適用于各種環(huán)境條件，特別適合自主導(dǎo)航等領(lǐng)域。

在努力實(shí)現(xiàn)視頻捕獲之外，研究團(tuán)隊(duì)還致力于提高該技術(shù)的光譜分辨率、傳輸效率以及圖像捕獲和處理速度。研究人員計(jì)劃改進(jìn)超構(gòu)表面設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的光操作，以獲得更高的光譜分辨率，并希望將該技術(shù)擴(kuò)展到室溫成像領(lǐng)域。目前，研究人員正通過改進(jìn)材料、超構(gòu)表面設(shè)計(jì)和抗反射涂層等技術(shù)朝這一目標(biāo)努力。 論文鏈接： https://doi.org/10.1364/OPTICA.506813

審核編輯：劉清