革命性的元光学技术改变了热成像技术
旋转元表面堆栈可将热光分解为光谱和偏振成分。研究人员将元表面堆栈与传统的长波红外摄像机和计算成像算法相结合，创建了一个紧凑而强大的光谱热成像系统。研究人员创造了一种利用元光学设备进行热成像的新技术。这种方法能提供有关被成像物体的更详细信息，有可能扩大热成像在自主导航、安防、热成像、医学成像和遥感方面的应用。“我们的方法克服了传统光谱热成像仪的难题，传统热成像仪由于依赖于大型滤光轮或干涉仪，通常都比较笨重和精密，”研究团队负责人、来自普渡大学的祖宾·雅各布（ZubinJacob）说，“我们将元光学设备和尖端计算成像算法结合起来，创造出一种既紧凑又坚固，同时还具有大视场的系统”。在光学出版集团的高影响力研究期刊《光学》（Optica）上，作者介绍了他们的新型光谱-偏振分解系统，该系统利用一叠旋转元表面将热光分解为光谱和偏振成分。这样，成像系统就能捕捉到热辐射的光谱和偏振细节，以及传统热成像获得的强度信息。研究人员表明，新系统可与商用热像仪配合使用，成功地对各种材料进行分类，而这对传统热像仪来说通常是一项具有挑战性的任务。这种方法能够根据光谱极坐标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。本文第一作者、普渡大学博士后研究员王学吉说：“传统的自主导航方法主要依赖于RGB摄像机，而这种摄像机在光线不足或天气恶劣等恶劣条件下难以发挥作用。与热辅助探测和测距技术相结合，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，比RGB或传统热像仪提供更清晰的图像。一旦我们实现了实时视频捕捉，该技术就能大大提高场景感知能力和整体安全性。”长波红外光谱偏振成像对于夜视、机器视觉、痕量气体传感和热成像等应用至关重要。然而，当今的光谱极坐标长波红外成像仪体积庞大，光谱分辨率和视场有限。为了克服这些限制，研究人员转向大面积元表面——能以复杂方式操纵光线的超薄结构表面。在设计出具有定制红外响应的旋转色散元表面后，他们开发出了一种制造工艺，可以利用这些元表面制造出适合成像应用的大面积（直径2.5厘米）旋转设备。由此产生的旋转堆栈尺寸小于10x10x10厘米，可与传统红外摄像机配合使用。将这些大面积元光学设备与计算成像算法相结合，有助于高效地重建热辐射光谱。这使得光谱极坐标热成像系统比以前的系统更加紧凑、坚固和有效。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“普渡大学”字样，每种材料和微结构都具有独特的光谱极坐标特性。利用该系统获取的光谱极坐标信息，他们准确地区分了不同的材料和物体。他们还证明，与传统热成像方法相比，该系统的材料分类准确性提高了三倍，凸显了该系统的有效性和多功能性。研究人员说，这种新方法对于需要详细热成像的应用尤其有用：“例如，在安全领域，它可以通过检测隐藏在人身上的物品或物质来彻底改变机场系统，”王学吉说，“此外，其紧凑坚固的设计增强了其在不同环境条件下的适用性，使其特别有利于自主导航等应用。”除了利用该系统实现视频捕捉之外，研究人员还在努力提高该技术的光谱分辨率、传输效率以及图像捕捉和处理速度。他们还计划改进元表面设计，以实现更复杂的光操作，从而获得更高的光谱分辨率。此外，他们还希望将该方法扩展到室温成像，因为元表面堆栈的使用限制了该方法对高温物体的应用。他们计划利用改进的材料、元表面设计和抗反射涂层等技术来实现这一目标。（航柯）