研究人员使用旋转的超表面来制造紧凑的热成像系统

研究人员开发了一种使用元光学设备进行热成像的新技术。这种方法提供了有关成像物体的更丰富信息，这可能会扩大热成像在自主导航、安全、热成像、医学成像和遥感等领域的应用。

“我们的方法克服了传统光谱热成像仪的挑战，由于它们依赖于大型滤光轮或干涉仪，传统光谱热成像仪通常体积庞大且精密，”来自普渡大学的研究团队负责人祖宾·雅各布说。“我们结合了元光学设备和尖端的计算成像算法，创建了一个既紧凑又坚固的系统，同时还具有大视野。”

在…里光学在Optica Publishing Group的高影响力研究杂志上，作者描述了他们的新光谱偏振分解系统，该系统使用一堆旋转的超表面将热光分解为光谱和偏振成分。这使得成像系统除了利用传统热成像获得的强度信息之外，还能够捕获热辐射的光谱和偏振细节。

研究人员表明，新系统可以与商用热感相机一起使用，成功地对各种材料进行分类，这对传统热感相机来说通常是一项具有挑战性的任务。该方法能够根据光谱偏振特征区分温度变化和识别材料，有助于提高包括自主导航在内的各种应用的安全性和效率。

该论文的第一作者、普渡大学博士后研究员薛稷·王说:“传统的自主导航方法严重依赖RGB相机，这些相机在弱光或恶劣天气等具有挑战性的条件下难以工作。”“当与热辅助检测和测距技术集成时，我们的光谱偏振热像仪可以在这些困难的情况下提供重要信息，提供比RGB或传统热像仪更清晰的图像。一旦我们实现实时视频拍摄，该技术可能会大大增强场景感知和整体安全性。”

用更小的成像仪做更多事情

长波红外光谱偏振成像对于夜视、机器视觉、微量气体传感和热成像等应用至关重要。然而，今天的光谱偏振长波红外成像仪体积庞大，光谱分辨率和视野有限。

为了克服这些限制，研究人员转向大面积超表面-超薄结构表面，可以以复杂的方式操纵光。在设计了具有定制红外响应的旋转色散元表面后，他们开发了一种制造工艺，允许这些元表面用于创建适合成像应用的大面积(直径2.5厘米)旋转设备。最终的旋转堆栈尺寸小于10 x 10 x 10厘米，可以与传统的红外相机一起使用。

“将这些大面积元光学器件与计算成像算法相结合，有助于热辐射光谱的有效重建，”王说。“这使得光谱偏振热成像系统比以前更紧凑、更强大、更有效。”

用热成像对材料进行分类

为了评估他们的新系统，研究人员使用各种材料和微结构拼出了“Purdue”，每种材料和微结构都具有独特的光谱偏振特性。利用该系统获得的光谱偏振信息，他们准确地区分了不同的材料和物体。他们还证明了与传统热成像方法相比，材料分类精度提高了三倍，突出了该系统的有效性和多功能性。

研究人员表示，这种新方法可能对需要详细热成像的应用特别有用。“例如，在安全方面，它可以通过检测人们身上隐藏的物品或物质来彻底改变机场系统，”王说。“此外，其紧凑而坚固的设计增强了其对各种环境条件的适应性，使其特别有利于自主导航等应用。”

除了努力实现该系统的视频捕捉，研究人员还试图提高该技术的光谱分辨率、传输效率以及图像捕捉和处理的速度。他们还计划改进超曲面设计，以实现更复杂的光操纵，从而获得更高的光谱分辨率。此外，他们希望将该方法扩展到室温成像，因为元表面堆栈的使用将该方法限制在高温物体上。他们计划使用改进的材料、超表面设计和抗反射涂层等技术来实现这一目标。

来源: Materials provided by Optica.
注明: Content may be edited for style and length. Journal Reference: Xueji Wang, Ziyi Yang, Fanglin Bao, Tyler Sentz, Zubin Jacob. Spinning metasurface stack for spectro-polarimetric thermal imaging. Optica, 2024; 11 (1): 73 DOI: 10.1364/OPTICA.506813