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- 紅外傳感器通過超薄透鏡提升了火災和威脅監(jiān)測的靈敏度
- 來源：ARC變革性超光學系統(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），可被球面透鏡準確復制;（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，如叢林火災或軍事威脅。
該方法的關鍵在于創(chuàng)新透鏡技術，其比人發(fā)還細，能夠以極大效率收集和處理來自火災及其他熱源的紅外輻射。關鍵是，它不需要像電流傳感器那樣的低溫冷卻。
該項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有望提升民用和軍用領域的設備水平。
“這是一種優(yōu)雅的工程設計，具有現(xiàn)實世界的回報：一層單層，表現(xiàn)得像數(shù)百萬個微小透鏡，規(guī)�；圃�，”澳大利亞國立大學和ARC變革性超光學系統(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�！�
團隊提出，他們的技術可以通過將傳感器安裝在電信網(wǎng)絡基站上，實現(xiàn)叢林火災的持續(xù)監(jiān)測。
西澳大學（UWA）及TMOS研究員潘文武博士表示：“火災探測技術具有國家重要性，我們的解決方案彌補了可擴展且具成本效益的叢林火災檢測的關鍵空白�！�
“同樣的進步使得能夠實現(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，并結合良好的熱對比度以識別熱源。
然而，提升中波紅外相機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致圖像模糊變得更困難。
ARC變革性元光學系統(tǒng)卓越中心（TMOS）的研究人員正在探索利用先進元光學傳感器實現(xiàn)360度叢林火災探測的概念。設想中的系統(tǒng)將在現(xiàn)有電信基站上安裝中紅外元曲面探測器，以實現(xiàn)室溫下的持續(xù)遠程熱點監(jiān)測。通過通過用微觀金屬簇陣列聚焦熱源，該方法旨在實現(xiàn)高靈敏度、低功耗的監(jiān)測，從而改變早期野火預警和環(huán)境監(jiān)測。圖片來源：西澳大學潘文武博士
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結將光轉換為電信號。但PN結不斷產(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)場或遠程使用來說并不理想，因為會增加成本并顯著降低實用性。
相反，團隊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——每個像素一個——每個像素可以更小，并且與鄰像素分離，從而減少溢出效應。
“該系統(tǒng)整合了三大關鍵進步——中波紅外感應，實現(xiàn)全天候遠程探測;無需低溫冷卻，實現(xiàn)低功耗和高可靠性;以及實時數(shù)據(jù)以加快響應速度，“西澳大學和TMOS的副教授Gilberto Umana-Membreno說。
但如何制造成千上萬個微小的鏡頭來實現(xiàn)這個想法呢？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)生天然材料無法實現(xiàn)的驚人效果。
“這些平坦金屬元件使我們能夠將光刻晶圓級光學元件直接引入探測器堆�！@是一種實用的提升性能方式，”副教授吉爾伯托·烏馬納-門布雷諾說。
團隊利用電磁建模設計了一個平坦的超曲面，將中紅外光集中到每個探測器像素上，提高靈敏度并減少噪聲。該設計詳見《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計以優(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。”
新設計有望廣泛影響——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、光譜學和醫(yī)學成像。
除了簡單的聚焦外，金屬光元件還可以設計用于執(zhí)行高級光學處理，通過根據(jù)偏振、相位或波長分離和控不同的光成分。
“該項目高度符合多種資助資格，并將支持可擴展的推廣。”副教授吉爾伯托·烏馬納-門布雷諾表示。“這里有重要的商業(yè)機會。”
更多信息：Wenwu Pan 等，《Metalens陣列設計與模擬以提升MWIR成像陣列性能》，《電子材料雜志》（2025年）。DOI：10.1007/s11664-025-12115-y
由ARC變革性超光學系統(tǒng)卓越中心提供
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