超薄透镜增强红外传感器，提升火灾与威胁监测能力
在红外热感领域，研究人员通过元光学技术实现了显著突破，开发出一种更灵敏的热源检测系统，可用于监测丛林火灾或潜在军事威胁。
该技术的核心是一种创新透镜，其厚度比人类头发丝还要细，能够在不依赖低温冷却的情况下，高效收集和处理来自热源的中波红外（MWIR）辐射。这种透镜的高效聚焦能力，为提升红外传感器的性能开辟了新路径。
该项目的主要研究者图奥马斯·哈格伦博士来自澳大利亚国立大学与ARC变革性超光学系统卓越中心（TMOS）。他表示，这项技术的突破可能推动民用与军用红外成像设备的广泛升级。
“这种设计仅由一层薄膜构成，却能表现出百万个微透镜的聚焦效果，并且适合于规模化制造。”哈格伦博士强调，“它显著提升了当前依赖的热成像系统。”
团队提出，未来该传感器可以部署在电信网络基站上，用于实现对大规模地区火灾的持续监控。这种应用前景得到了同行的高度认可。
来自西澳大学（UWA）及TMOS的潘文武博士指出：“火灾预警是国家层面的安全重点。我们提出的解决方案填补了低成本、可扩展的丛林火灾检测系统的空白。”
“同时，这项技术也适用于开发低功耗、小型化的红外传感器，用于防御系统中实现全方位的态势感知。”
该系统工作在3至5微米波长区间，属于中波红外（MWIR）范围。这一波段具备良好的昼夜可见度与热对比度，非常适合热源的识别。
然而，提升MWIR成像清晰度一直面临多重挑战。首先，随着像素尺寸减小，光溢出问题加剧，导致图像模糊。其次，探测器面积增大虽可提升光捕获能力，但也伴随更高的暗电流噪声，而暗电流正是由探测器内部的PN结持续生成的低水平信号。
传统上，低温冷却可有效抑制暗电流，但这在远程或野外部署中并不现实，因为会增加能耗与维护成本。
为解决这一难题，研究团队提出了一种替代方案：通过微型透镜阵列将光线精确聚焦到更小的探测器区域，从而降低噪声并提升信噪比。利用多个透镜分别处理不同像素，不仅减少了溢出，还提升了图像分辨率。
西澳大学与TMOS的副教授吉尔伯托·乌马纳-门布雷诺指出：“这项成果整合了三个关键技术要素：中波红外感应、无需低温冷却的低功耗系统设计，以及实时数据处理，从而加速响应速度。”
在制造方面，研究团队采用了超表面（metasurface）技术——即由纳米级结构组成的平面表面，其光学性能可超越传统材料。这种方法能够直接将超薄光学元件集成到探测器结构中，实现性能的飞跃。
“这种平面超曲面元件使得光刻晶圆级光学组件的集成成为可能，为提升系统性能提供了切实可行的路径。”乌马纳-门布雷诺副教授补充道。
研究团队利用电磁建模设计了一种平面超曲面，可将中波红外光高效聚焦至每个像素区域，从而提升灵敏度并降低噪声。相关成果已发表于《电子材料杂志》。
潘文武博士表示，团队通过多种纳米柱结构的模拟测试，验证了其在光聚焦效率方面的巨大潜力。“通过在单层薄膜上进行图案化处理，我们能够将光线精确集中到目标区域。”
这项技术的潜在应用极为广泛。除了热源检测外，红外传感器还被广泛应用于遥感、夜视、环境监测、国家安全、国防、气象分析、天文观测、光谱分析及医学成像等多个领域。
此外，这类超表面元件还可用于执行更复杂的光学处理任务，例如根据偏振、相位或波长对不同光成分进行分离与控制。
乌马纳-门布雷诺副教授强调：“此项目高度契合多项资助标准，并具备良好的产业化推广前景。”
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
由ARC变革性超光学系统卓越中心提供