華中科大開發輕型無熱化紅外超透鏡相機，用於溫度測量和氣體檢測

當前，紅外成像技術儘管在工業檢測、醫學影像、安防監控以及軍事偵察等軍事和民用領域中發揮着重要作用，但該技術仍存在一些局限性。

在機載和便攜式平台的應用場景中，紅外相機需要緊湊、輕便且具有成本效益；然而，現有的紅外相機不僅機身笨重而且售價都較高，這是因為紅外相機中的折射透鏡是以曲面及材料的折射率來塑造光的波前，改用超透鏡能夠解決上述問題。

不過，現有在紅外波段中使用的超透鏡孔徑尺寸通常小於 1cm，缺少高倍率和遠距離成像能力。

圖 | 易飛（來源：易飛）

近日，華中科技大學光學與電子信息學院易飛副教授團隊提出了一種採用大口徑超透鏡來製備輕型長波紅外 ( long-wave infrared，簡稱 LWIR) 相機的技術路線。據了解，該 LWIR 相機能夠通過 5cm 孔徑的超透鏡對數十米距離的目標進行成像，而且其對 5m 距離外目標的成像質量明顯高於當前透鏡孔徑為 5.5mm 的商用紅外相機，可被用於溫度測量和氣體檢測。

相關論文以《通過單個 5 厘米孔徑超透鏡實現的輕型長波紅外相機（FM4F.4）》（Lightweight Long-Wave Infrared Camera via a Single 5-Centimeter-Aperture Metalens （FM4F.4））為題在 2022 美國激光與光電子會議（Conference on Lasers and Electrooptics，簡稱 CLEO）上發表。

圖 | 相關論文（來源：CLEO）

不同於常規的平面透鏡，超透鏡是通過人工亞波長陣列平面來塑造光的波前。近年來，科學家製備出許多可用於成像的超透鏡，但這些超透鏡的口徑大都不超過幾毫米，主要在可見光及近紅外波段工作，很少有工作在中長波特別是長波紅外波段的。

在本次研究中，該團隊設計並開發的全硅超透鏡有着五厘米口徑，工作在 10.6um 的長波紅外波段。據了解，該超透鏡能夠用於市面上幾乎所有的紅外相機，它的焦距、光圈數、數值孔徑分別為 34mm、0.68 和 0.592，其重量（3.7g）和厚度（0.5mm）比其他同一口徑的非球面透鏡要小得多。

研究人員表示，這一大口徑超透鏡的實現離不開其提出的一種原創技術，名為「多版圖拼接式投影曝光」。該技術理論上可以用來實現任意尺寸的大口徑超透鏡製備；而且，由於它並不受到圖形對稱性的影響，因此普遍適用於超透鏡的各種陣列排布設計。

藉助「多版圖拼接式投影曝光」技術，該團隊順利使用 6 寸硅晶圓合成出 4 個 5cm 的大口徑超透鏡，並將其掩模間的拼接誤差校正至 200nm 以內。

圖 | 基於超透鏡的 LWIR 相機設計和製造（來源：CLEO）

接下來，該團隊對其製備的全硅超透鏡進行了成像性能方面的試驗。首先，他們發現這一超透鏡在 10.6um 波長下的聚焦光斑大小低於 20um。對此，研究人員稱，這表明該超透鏡在 10.6um 波長的成像性能比同等口徑非球面透鏡好得多。

其次，他們以氧化釩非製冷焦平面傳感器驗證了在 8 至 12um 工作波長下該超透鏡的寬譜成像水平。

最後，研究人員將目標物距離作為變量，進一步分析了該超透鏡的成像情況。結果得出，基於該超透鏡的 LWIR 相機可以拍攝出 5m 遠目標物的細節，並識別到 50m 遠的目標物。

圖 | 使用基於超透鏡的 LWIR 相機進行成像（來源：CLEO）

據了解，該團隊製備的全硅超透鏡成像工作模式有兩種。第一種模式下，寬譜光進入到超透鏡，帶給圖像傳感器高能量及高性噪比，但此時的超透鏡成像像質一般；第二種模式下，一束窄譜光進入超透鏡，雖然帶給圖像傳感器的能量較低，但這限制了超透鏡的成像帶寬，令其成像像質獲得了提升。

針對這兩種模式的不同特徵，該團隊展示了所開發 LWIR 相機的兩個應用：溫度測量和氣體泄漏檢測。第一種模式下，經過校準後的 LWIR 相機可以在 40 到 240 攝氏度的範圍內完成溫度測量，而且誤差不超過 5%；第二種模式下，以六氟化硫氣體為例，該 LWIR 相機能夠檢測氣體的泄漏速度以及流向。

易飛談到，他們還使用 NIQE（Naturalness Image Quality Evaluator，自然圖像質量評價）指數評估了其全硅超透鏡的成像像質。研究表明，該超透鏡的綜合像質性能遠勝於非球面透鏡，且通過窄帶濾光片約束成像帶寬以及去卷積算法優化兩種方式，其像質還可以獲得進一步的提升。

此外，他表示，採用鍍長波紅外增透膜的方式，能夠使得該超透鏡的長波紅外透過率從 50% 升至 70%，在此基礎上再進行光學膜系優化，還能使其長波紅外透過率超 80%。而且，這款超透鏡的成像特性在-60 到 80 攝氏度的溫度範圍內都可以維持正常。

總的來說，這項研究顯示了超透鏡技術在紅外成像領域的廣闊應用前景，並為開發輕量化與小型化的紅外成像設備帶來了全新且可靠的技術路線。

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參考：
https://www.cleoconference.org/home/schedule/post-session/?sessionid=424929