当前，红外成像技术尽管在工业检测、医学影像、安防监控以及军事侦察等军事和民用领域中发挥着重要作用，但该技术仍存在一些局限性。
在机载和便携式平台的应用场景中，红外相机需要紧凑、轻便且具有成本效益；然而，现有的红外相机不仅机身笨重而且售价都较高，这是因为红外相机中的折射透镜是以曲面及材料的折射率来塑造光的波前，改用超透镜能够解决上述问题。
不过，现有在红外波段中使用的超透镜孔径尺寸通常小于 1cm，缺少高倍率和远距离成像能力。
图 | 易飞（来源：易飞）
近日，华中科技大学光学与电子信息学院易飞副教授团队提出了一种采用大口径超透镜来制备轻型长波红外 ( long-wave infrared，简称 LWIR) 相机的技术路线。据了解，该 LWIR 相机能够通过 5cm 孔径的超透镜对数十米距离的目标进行成像，而且其对 5m 距离外目标的成像质量明显高于当前透镜孔径为 5.5mm 的商用红外相机，可被用于温度测量和气体检测。
相关论文以《通过单个 5 厘米孔径超透镜实现的轻型长波红外相机（FM4F.4）》（Lightweight Long-Wave Infrared Camera via a Single 5-Centimeter-Aperture Metalens （FM4F.4））为题在 2022 美国激光与光电子会议（Conference on Lasers and Electrooptics，简称 CLEO）上发表。
图 | 相关论文（来源：CLEO）
不同于常规的平面透镜，超透镜是通过人工亚波长阵列平面来塑造光的波前。近年来，科学家制备出许多可用于成像的超透镜，但这些超透镜的口径大都不超过几毫米，主要在可见光及近红外波段工作，很少有工作在中长波特别是长波红外波段的。
在本次研究中，该团队设计并开发的全硅超透镜有着五厘米口径，工作在 10.6um 的长波红外波段。据了解，该超透镜能够用于市面上几乎所有的红外相机，它的焦距、光圈数、数值孔径分别为 34mm、0.68 和 0.592，其重量（3.7g）和厚度（0.5mm）比其他同一口径的非球面透镜要小得多。
研究人员表示，这一大口径超透镜的实现离不开其提出的一种原创技术，名为“多版图拼接式投影曝光”。该技术理论上可以用来实现任意尺寸的大口径超透镜制备；而且，由于它并不受到图形对称性的影响，因此普遍适用于超透镜的各种阵列排布设计。
借助“多版图拼接式投影曝光”技术，该团队顺利使用 6 寸硅晶圆合成出 4 个 5cm 的大口径超透镜，并将其掩模间的拼接误差校正至 200nm 以内。
图 | 基于超透镜的 LWIR 相机设计和制造（来源：CLEO）
接下来，该团队对其制备的全硅超透镜进行了成像性能方面的试验。首先，他们发现这一超透镜在 10.6um 波长下的聚焦光斑大小低于 20um。对此，研究人员称，这表明该超透镜在 10.6um 波长的成像性能比同等口径非球面透镜好得多。
其次，他们以氧化钒非制冷焦平面传感器验证了在 8 至 12um 工作波长下该超透镜的宽谱成像水平。
最后，研究人员将目标物距离作为变量，进一步分析了该超透镜的成像情况。结果得出，基于该超透镜的 LWIR 相机可以拍摄出 5m 远目标物的细节，并识别到 50m 远的目标物。
图 | 使用基于超透镜的 LWIR 相机进行成像（来源：CLEO）
据了解，该团队制备的全硅超透镜成像工作模式有两种。第一种模式下，宽谱光进入到超透镜，带给图像传感器高能量及高性噪比，但此时的超透镜成像像质一般；第二种模式下，一束窄谱光进入超透镜，虽然带给图像传感器的能量较低，但这限制了超透镜的成像带宽，令其成像像质获得了提升。
针对这两种模式的不同特征，该团队展示了所开发 LWIR 相机的两个应用：温度测量和气体泄漏检测。第一种模式下，经过校准后的 LWIR 相机可以在 40 到 240 摄氏度的范围内完成温度测量，而且误差不超过 5%；第二种模式下，以六氟化硫气体为例，该 LWIR 相机能够检测气体的泄漏速度以及流向。
易飞谈到，他们还使用 NIQE（Naturalness Image Quality Evaluator，自然图像质量评价）指数评估了其全硅超透镜的成像像质。研究表明，该超透镜的综合像质性能远胜于非球面透镜，且通过窄带滤光片约束成像带宽以及去卷积算法优化两种方式，其像质还可以获得进一步的提升。
此外，他表示，采用镀长波红外增透膜的方式，能够使得该超透镜的长波红外透过率从 50% 升至 70%，在此基础上再进行光学膜系优化，还能使其长波红外透过率超 80%。而且，这款超透镜的成像特性在-60 到 80 摄氏度的温度范围内都可以维持正常。
总的来说，这项研究显示了超透镜技术在红外成像领域的广阔应用前景，并为开发轻量化与小型化的红外成像设备带来了全新且可靠的技术路线。
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参考：
https://www.cleoconference.org/home/schedule/post-session/?sessionid=424929
