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- 紅外傳感器通過超薄透鏡提升了火災(zāi)和威脅監(jiān)測的靈敏度
- 來源：ARC變革性超光學(xué)系統(tǒng)卓越中心 發(fā)表于 2025/11/18
（a）微透鏡所需的理想連續(xù)相剖面（λ = 4.25 μm，f = 9 μm，n = 2.7），可被球面透鏡準(zhǔn)確復(fù)制;（b）由排列為1 μm間距的超原子離散采樣，如圖所示，單層平面金屬中具有不同直徑。所得的電場強(qiáng)度（|E|）輪廓分別在球面透鏡和金屬透鏡的（d）中顯示，金屬透鏡相比球面透鏡的對焦效率較低。圖片來源：電子材料雜志（2025年）。DOI：10.1007/s11664-025-12115-y
研究人員通過利用元光學(xué)系統(tǒng)的聚焦能力，開發(fā)出一種高度靈敏的方法來檢測環(huán)境中的熱點(diǎn)，如叢林火災(zāi)或軍事威脅。
該方法的關(guān)鍵在于創(chuàng)新透鏡技術(shù)，其比人發(fā)還細(xì)，能夠以極大效率收集和處理來自火災(zāi)及其他熱源的紅外輻射。關(guān)鍵是，它不需要像電流傳感器那樣的低溫冷卻。
該項(xiàng)目首席研究員圖奧馬斯·哈格倫博士表示，其成果是傳感器技術(shù)有望提升民用和軍用領(lǐng)域的設(shè)備水平。
“這是一種優(yōu)雅的工程設(shè)計(jì)，具有現(xiàn)實(shí)世界的回報(bào)：一層單層，表現(xiàn)得像數(shù)百萬個(gè)微小透鏡，規(guī)�；圃�，”澳大利亞國立大學(xué)和ARC變革性超光學(xué)系統(tǒng)卓越中心（TMOS）研究員哈格倫博士說。
“它直接提升了社區(qū)依賴的攝像頭�！�
團(tuán)隊(duì)提出，他們的技術(shù)可以通過將傳感器安裝在電信網(wǎng)絡(luò)基站上，實(shí)現(xiàn)叢林火災(zāi)的持續(xù)監(jiān)測。
西澳大學(xué)（UWA）及TMOS研究員潘文武博士表示：“火災(zāi)探測技術(shù)具有國家重要性，我們的解決方案彌補(bǔ)了可擴(kuò)展且具成本效益的叢林火災(zāi)檢測的關(guān)鍵空白。”
“同樣的進(jìn)步使得能夠?qū)崿F(xiàn)緊湊、低功耗的傳感器，在防御平臺上提供360度態(tài)勢感知。”
傳感器工作在3至5微米的波長，稱為中波紅外（MWIR），晝夜都能獲得良好的可見度，并結(jié)合良好的熱對比度以識別熱源。
然而，提升中波紅外相機(jī)銳利度的努力遇到了制造和性能的限制。首先，隨著像素變小，光線在像素間溢出導(dǎo)致圖像模糊變得更困難。
ARC變革性元光學(xué)系統(tǒng)卓越中心（TMOS）的研究人員正在探索利用先進(jìn)元光學(xué)傳感器實(shí)現(xiàn)360度叢林火災(zāi)探測的概念。設(shè)想中的系統(tǒng)將在現(xiàn)有電信基站上安裝中紅外元曲面探測器，以實(shí)現(xiàn)室溫下的持續(xù)遠(yuǎn)程熱點(diǎn)監(jiān)測。通過通過用微觀金屬簇陣列聚焦熱源，該方法旨在實(shí)現(xiàn)高靈敏度、低功耗的監(jiān)測，從而改變早期野火預(yù)警和環(huán)境監(jiān)測。圖片來源：西澳大學(xué)潘文武博士
其次，使用較大的探測器收集更多光存在噪聲問題：探測器的工作原理與太陽能電池相同，通過PN結(jié)將光轉(zhuǎn)換為電信號。但PN結(jié)不斷產(chǎn)生低水平信號，稱為暗電流：收集面積增加會產(chǎn)生更多噪聲。
這種暗電流可以通過低溫冷卻來減少，但這對現(xiàn)場或遠(yuǎn)程使用來說并不理想，因?yàn)闀黾映杀静@著降低實(shí)用性。
相反，團(tuán)隊(duì)想出了可以聚焦光線，這樣可以被更小的探測器收集，從而減少暗電流。更好的是，如果使用多層透鏡陣列——每個(gè)像素一個(gè)——每個(gè)像素可以更小，并且與鄰像素分離，從而減少溢出效應(yīng)。
“該系統(tǒng)整合了三大關(guān)鍵進(jìn)步——中波紅外感應(yīng)，實(shí)現(xiàn)全天候遠(yuǎn)程探測;無需低溫冷卻，實(shí)現(xiàn)低功耗和高可靠性;以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以加快響應(yīng)速度，“西澳大學(xué)和TMOS的副教授Gilberto Umana-Membreno說。
但如何制造成千上萬個(gè)微小的鏡頭來實(shí)現(xiàn)這個(gè)想法呢？答案是使用超表面，即覆蓋著比光波長更小的納米形狀陣列的表面，能夠產(chǎn)生天然材料無法實(shí)現(xiàn)的驚人效果。
“這些平坦金屬元件使我們能夠?qū)⒐饪叹A級光學(xué)元件直接引入探測器堆�！@是一種實(shí)用的提升性能方式，”副教授吉爾伯托·烏馬納-門布雷諾說。
團(tuán)隊(duì)利用電磁建模設(shè)計(jì)了一個(gè)平坦的超曲面，將中紅外光集中到每個(gè)探測器像素上，提高靈敏度并減少噪聲。該設(shè)計(jì)詳見《電子材料雜志》。
文武博士表示，通過模擬測試了多種納米柱設(shè)計(jì)以優(yōu)化光聚焦效率，顯示出極大潛力，能提高精度并減少損耗�！巴ㄟ^圖案化平整的單層薄膜，我們能在需要的地方集中更多光線�！�
新設(shè)計(jì)有望廣泛影響——除了熱量探測外，紅外傳感器還被用于遙感、夜視、環(huán)境監(jiān)測、國家安全、國防、氣象、天文學(xué)、光譜學(xué)和醫(yī)學(xué)成像。
除了簡單的聚焦外，金屬光元件還可以設(shè)計(jì)用于執(zhí)行高級光學(xué)處理，通過根據(jù)偏振、相位或波長分離和控不同的光成分。
“該項(xiàng)目高度符合多種資助資格，并將支持可擴(kuò)展的推廣�！备苯淌诩獱柌小躐R納-門布雷諾表示�！斑@里有重要的商業(yè)機(jī)會。”
更多信息：Wenwu Pan 等，《Metalens陣列設(shè)計(jì)與模擬以提升MWIR成像陣列性能》，《電子材料雜志》（2025年）。DOI：10.1007/s11664-025-12115-y
由ARC變革性超光學(xué)系統(tǒng)卓越中心提供
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