紅外傳感器高效識別環境熱點的超薄金屬透鏡技術
研究人員借助元光學系統，開發出一種高效識別環境熱點的解決方案，可用于監測叢林火災及軍事威脅。這項突破的關鍵在于一種創新的透鏡技術，其厚度僅有人發的千分之一，卻能高效收集和處理來自熱源的中波紅外輻射。與傳統依賴低溫冷卻的紅外傳感器不同，該技術在常溫下即可實現穩定工作。
澳大利亞國立大學與ARC變革性超光學系統卓越中心（TMOS）的首席研究員圖奧馬斯·哈格倫博士指出，這項成果有望推動傳感器技術在民用與軍用領域的升級。他提到：“該設計僅使用一層結構，卻能模擬數百萬個微透鏡的行為，適合于大規模制造，從而提升了社區常用攝像頭的性能。”
研究團隊建議，可將這一技術部署于電信網絡基站，以實現對叢林火災的實時、連續監測。西澳大學及TMOS的研究員潘文武博士表示，此類技術對國家至關重要，而他們的方法恰好填補了當前低成本且可擴展的火災檢測方案中的一項空白。
“同樣，這項進步也使得緊湊型、低功耗的傳感器成為可能，從而在軍事平臺提供360度的態勢感知。”潘博士補充道。
該傳感器工作于3至5微米的中波紅外（MWIR）波段，具備晝夜良好的成像能力，并能借助熱對比度識別熱源。然而，提升MWIR相機分辨率一直面臨制造與性能的雙重挑戰。一方面，隨著像素尺寸減小，光溢出效應加劇，導致成像模糊；另一方面，大面積探測器雖然能捕捉更多光子，但伴隨而來的是噪聲增加，尤其是由PN結產生的暗電流。
由于暗電流難以避免，通常需要通過低溫冷卻來抑制，但這不僅增加了系統成本，也限制了其在遠程或戶外環境中的實際應用。為此，研究團隊提出了一種替代方案：通過微型透鏡陣列將光線聚焦于更小的探測器上，從而減少暗電流影響，并通過像素間的物理隔離抑制光溢出。
TMOS副教授吉爾伯托·烏馬納-門布雷諾指出，這一系統融合了三項核心創新：MWIR感應實現全天候遠程探測、無需冷卻的低功耗運行以及實時數據采集以提升響應速度。
面對如何制造大量微型透鏡以支撐這一設計的難題，團隊選擇了超表面（metasurface）技術。這種由亞波長尺度納米結構組成的平面表面，能夠實現傳統光學材料難以達到的光調控效果。
“這些平面光學元件使我們能夠直接在光刻晶圓上構建光學系統，從而將先進元光學技術集成到探測器堆棧中，顯著提升性能。”烏馬納-門布雷諾副教授解釋。
研究團隊通過電磁建模設計出一種平面金屬透鏡結構，能夠在MWIR波段高效聚焦光束，提高探測靈敏度并降低噪聲。相關研究發表于《電子材料雜志》。
潘文武博士表示，團隊通過模擬評估了多種納米柱結構以優化聚焦效率，結果表明該方案在減少損耗和提升精度方面具有顯著潛力。“通過在單層薄膜上進行圖案化處理，我們可以在需要的位置集中更多入射光。”他說。
這項技術不僅在火災探測方面具有應用潛力，還可廣泛應用于遙感、夜視、環境監測、國家安全、國防、氣象、天文學、光譜學和醫學成像等領域。除了基本的聚焦功能，金屬光學元件還可進一步設計，以實現基于偏振、相位或波長的高級光學處理。
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