红外传感器借助超薄透镜提升火灾与威胁监测灵敏度
在最新的研究中，科学家们利用元光学的聚焦优势，开发出一种高效识别环境热点的创新方法，适用于森林火灾预警和军事威胁监测。
这项技术的核心在于一种超薄透镜，其尺寸小于人类头发丝，能够高效收集并处理来自热源的中波红外辐射。与传统设备不同的是，该系统无需依赖低温冷却机制，从而简化了操作流程并提升了实用性。
该研究由图奥马斯·哈格伦博士领导，他是澳大利亚国立大学及ARC变革性超光学系统卓越中心（TMOS）的成员。他表示，该技术有望提升多个领域内传感器设备的性能。
“我们设计了一种单层结构，却能像数百万个微小透镜一样工作，而且便于大规模生产，”哈格伦博士解释道。“这项技术能够显著提升社区日常使用的监控摄像头的性能。”
研究团队提出，该技术可应用于电信基站，用于对森林火灾进行持续监测。
来自西澳大学及TMOS的潘文武博士指出，火灾探测在国家层面至关重要，而他们的解决方案填补了低成本、可扩展式火灾监测系统的空白。
“这项技术还能用于构建紧凑型、低功耗的传感器，为军事防御平台提供全方位的态势感知能力。”
新传感器工作于中波红外（MWIR）波段，波长范围为3至5微米。该波段在昼夜环境中均能提供良好的热对比度和清晰度，有助于快速识别热源。
然而，实现高分辨率MWIR成像一直面临技术和制造上的挑战。一方面，随着像素尺寸减小，光线在相邻像素间溢出，导致图像模糊；另一方面，扩大探测器面积虽然能捕获更多光子，但也会引入更多噪声。
由于探测器依赖PN结将光转换为电信号，其本身会产生持续但微弱的暗电流。增加探测器面积会进一步放大这一噪声，而传统的降温手段虽能抑制暗电流，却不适用于野外或远程部署，因为这会带来更高的成本和能耗。
为解决这一问题，研究团队提出使用微透镜阵列。每个像素配备一个独立透镜，可将光线集中至更小的区域，从而减少暗电流并降低信号串扰。
“我们融合了三项关键技术突破：中波红外探测，实现全天候远程监测；无需冷却，实现低功耗、高稳定性；以及实时数据采集，以加快响应速度，”来自西澳大学和TMOS的副教授吉尔伯托·乌马纳-门布雷诺表示。
为了制造大量微透镜，研究人员采用了超表面技术。这是一种由亚波长尺度纳米结构组成的平面器件，能够实现传统材料难以实现的光学调控。
“这些平面光学元件使得光学器件可以直接集成于探测器堆栈中，从而实现性能上的飞跃，”乌马纳-门布雷诺副教授补充道。
研究团队通过电磁建模设计出一种中红外超曲面结构，以将入射光精确聚焦到每个探测器像素上，从而提升灵敏度并抑制噪声。相关成果已发表在《电子材料杂志》上。
潘文武博士提到，团队通过模拟测试了多种纳米柱结构，以优化光聚焦效率。“我们证明，通过在单层薄膜上进行图案化处理，可以实现光线的高效集中，”他解释道。
这项创新不仅限于热源检测，还可拓展至遥感、夜视、环境监测、国家安全、气象、天文学、光谱分析以及医学成像等领域。
此外，元光学元件不仅能实现聚焦，还可被设计用于执行复杂的光学处理任务，例如根据偏振、相位或波长分离并操控不同的光成分。
“本项目具备显著的商业与应用潜力，”乌马纳-门布雷诺副教授表示。“它具备可扩展性，并符合多种资助标准。”
更多信息详见：Wenwu Pan 等人撰写的《Metalens阵列设计与模拟以提升MWIR成像阵列性能》，发表于《电子材料杂志》（2025年）。DOI：10.1007/s11664-025-12115-y
来源：ARC变革性超光学系统卓越中心