超薄金属透镜提升红外传感器在火灾和威胁监测中的灵敏度
在红外传感器技术领域取得突破的一项新研究中，研究人员开发出一种基于超薄金属透镜的创新成像系统，显著提升了对火灾及其他热源的检测灵敏度。该技术利用元光学原理，能够在不需要低温冷却的情况下，高效采集和处理中波红外（MWIR）波段的热信号。
研究团队提出的解决方案采用了一种独特的纳米结构超表面透镜，其厚度仅为1微米，远小于人类头发的直径。这种透镜能够以高效率聚焦3至5微米波长范围的红外光，从而增强对环境热点的识别能力。与传统球面透镜相比，新设计在保持小型化的同时，大幅提升了图像聚焦效率。
据该项目的首席研究员图奥马斯·哈格伦博士介绍，该技术在民用和军用领域都具有广泛应用前景。“这是一种精妙的工程设计，实现了现实世界中的技术价值：通过单层结构，模拟数百万个微透镜的协同作用。”哈格伦博士指出，该成果有望广泛部署于社区监控系统，显著提升现有摄像头的性能。
研究团队提出，该传感器可安装在电信基站上，实现对丛林火灾的实时、远程监测。西澳大学与ARC变革性元光学系统卓越中心（TMOS）的研究人员潘文武博士表示，这种火灾探测技术具有重大的国家战略意义，能够填补当前低成本、大规模部署的空白。
同时，该传感器在国防领域也展现出广阔的应用潜力。通过集成在移动或固定防御平台上，可实现360度态势感知，为军事单位提供更全面的战场信息。
尽管中波红外成像技术具有出色的热对比度和昼夜成像能力，但其发展一直受到制造和性能瓶颈的限制。例如，随着像素尺寸的减小，光溢出效应导致图像模糊的问题日益严重；同时，增加探测器面积虽然有助于捕获更多信号，但也导致暗电流噪声显著上升。
传统解决方式依赖低温冷却来抑制暗电流，但这不仅增加了设备功耗，也限制了其在野外和远程部署的可行性。为克服这一限制，研究团队创新性地利用微型金属透镜阵列，使光线聚焦于更小的像素上，从而减少噪声并提升成像清晰度。
这种多层透镜系统能够实现像素间的光学隔离，进一步减少光泄漏效应。研究团队通过电磁建模设计了一种超曲面透镜结构，成功将中波红外光集中到探测器阵列中，显著提升了成像性能。
“该系统整合了三大关键创新：中波红外感应实现全天候远程探测、无低温冷却设计确保低功耗和高可靠性，以及实时数据处理加快响应速度。”西澳大学副教授吉尔伯托·乌马纳-门布雷诺评价道。
金属透镜的设计基于纳米柱结构的超表面技术，通过在单层薄膜上进行图案化处理，实现了对光波的有效操控。团队通过模拟测试了多种设计，最终优化了光聚焦效率，为红外成像系统的性能提升提供了可行路径。
该技术的潜在应用不仅限于火灾监测，还可广泛应用于遥感、夜视、环境监测、国家安全、气象观测、天文学、光谱分析及医学成像等多个领域。
此外，金属光学元件还可进一步拓展功能，例如按偏振、波长或相位分离光信号，实现更复杂的光学处理任务。
“这一项目契合多项资助导向，并具备良好的商业化前景。”乌马纳-门布雷诺副教授表示。
相关研究成果发表于《电子材料杂志》（2025年），题为《Metalens阵列设计与模拟以提升MWIR成像阵列性能》。DOI：10.1007/s11664-025-12115-y
更多信息由ARC变革性超光学系统卓越中心提供。