超薄金属透镜革新红外传感器，提升火灾与威胁检测灵敏度
近期，一支由澳大利亚国立大学与西澳大学联合组成的科研团队，开发出一种基于超薄透镜的红外传感器技术，显著提升了热源检测的灵敏度与效率。该技术在丛林火灾预警和军事威胁监测等领域展现出巨大潜力。
该团队利用元光学原理，设计出一种厚度不足人类发丝的微型透镜结构。这种单层超表面透镜能够高效收集和聚焦来自热源的3至5微米波段（中波红外，MWIR）的热辐射，而无需传统传感器所需的低温冷却系统。
该技术的核心优势在于其结构紧凑、功耗低，并具备高灵敏度。研究团队指出，该系统可在室温下实现远程、连续的热源监测，适用于部署在电信基站等基础设施上。
“这项成果代表了工程设计上的突破，”项目负责人图奥马斯·哈格伦博士表示，“我们实现了一个单层结构，其功能类似于数百万个微小透镜，适合大规模制造。”哈格伦博士隶属于澳大利亚ARC变革性超光学系统卓越中心（TMOS）。
西澳大学研究员潘文武博士指出，这一进展填补了低成本、大规模火灾检测系统的空白。“这项技术具有国家层面的战略意义，特别是在野火频发地区，”他说。
在防御领域，该传感器还具备360度态势感知能力，适合集成到移动或固定式军事平台上。其在昼夜均能提供清晰热图像的能力，使其在多种复杂环境中具有广泛的应用前景。
然而，中波红外成像系统的发展长期受限于制造工艺与性能瓶颈。一方面，像素尺寸缩小后，光溢出效应导致图像模糊；另一方面，较大探测器面积虽可采集更多光信号，但同时也会增加噪声，尤其是由暗电流带来的背景干扰。
传统上，低温冷却技术被用来降低暗电流，但这不仅成本高昂，也降低了设备在野外部署的灵活性。为此，研究团队提出了一种替代方案：通过微型透镜阵列将光线集中于小尺寸探测器，从而有效降低噪声。
“我们通过引入金属透镜阵列，使每个像素都拥有独立的光学聚焦功能，”西澳大学副教授吉尔伯托·乌马纳-门布雷诺解释道。“这不仅提升了图像质量，还大幅减少了光溢出问题。”
为了实现这一目标，研究团队采用超表面技术。这种结构由纳米级图案组成，其几何特征小于目标波长，能以传统光学材料无法实现的方式操控光波。
“这种平面光学元件可以直接集成到探测器堆栈中，”乌马纳-门布雷诺副教授补充道。“它为提升性能提供了实用且可扩展的解决方案。”
研究团队通过电磁建模，设计出一种适用于中波红外波段的超曲面透镜，有效提升光信号的聚焦效率与信噪比。相关成果已在《电子材料杂志》发表。
潘文武博士表示，团队通过模拟测试了多种纳米柱结构，以优化光聚焦性能。“通过单层薄膜的图案化处理，我们实现了对光信号的精准控制，”他说。
这项技术不仅适用于热源探测，还可拓展至遥感、夜视、环境监测、国家安全、气象观测、天文学、医学成像等多个领域。
此外，金属超表面还具备执行复杂光学处理的能力，例如基于偏振、波长或相位的光分离与调制。
乌马纳-门布雷诺副教授指出，该项目具备良好的商业与应用前景。“它不仅符合多项科研资助标准，也具备规模化推广的潜力。”
更多信息可参考：Wenwu Pan 等，《Metalens阵列设计与模拟以提升MWIR成像阵列性能》，《电子材料杂志》（2025年）。DOI：10.1007/s11664-025-12115-y