利用旋转超表面推进热成像技术

热成像在许多应用中都是至关重要的——从夜视到气体传感、机器视觉和热成像。然而，现有的热成像系统具有显著的尺寸、光谱分辨率和视场(FOV)限制。

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为了应对这些挑战，最近的研究将旋转色散超表面与先进的计算成像算法相结合。这一创新方法发表在《光学》杂志上。传统挑战与元光学解决方案

在长波红外(LWIR)光谱范围内工作的传统热成像仪通常依赖于笨重的滤光轮或精密的干涉仪来将入射热辐射分解成其光谱成分。虽然这些方法使光谱成像成为可能，但它们也带来了重大的权衡。滤光轮提供有限的光谱分辨率，而干涉仪受限于其受限的视场和对环境干扰的敏感性，使其在实际场景中部署变得脆弱和具有挑战性。

认识到这些局限性，普渡大学的研究小组转向了新兴的元光学领域，该领域探索利用被称为超表面的工程亚波长纳米结构来操纵光。

通过将大面积堆叠的元光学器件与压缩字典学习和传感算法相结合，他们开发了一种紧凑、强大、高性能的光谱偏振成像系统，称为“Spinning MetaCam”。

工程超表面:紧凑热成像的关键

旋转MetaCam的关键创新在于它巧妙地使用了超表面——超薄结构表面，可以以复杂和定制的方式操纵光。研究人员设计了一个由三个旋转色散超表面组成的堆栈，每个超表面都被设计成具有特定的特性，对于优化光谱偏振成像性能至关重要。第一组超表面可以实现热辐射的有效波长分解，这是光谱分析的重要步骤。第二组通过保证高传输和低自发射来提高信噪比(SNR)，保持数据质量。第三组为成像系统提供了宽视场，克服了传统干涉仪光谱成像仪的局限性。

相关报道全球激光技术市场洞察、趋势和预测热成像介绍teledyne FLIR发布用于FLIR热像仪的新型80°广角热透镜和端口适配器利用这些定制的超表面，研究人员制造了具有高结构质量和均匀性的大面积元光学器件(直径25.4 mm)。这种可扩展性超越了之前小型化光谱仪的尝试，使其适合成像应用。

旋转机理:光谱和极化分解

旋转MetaCam独特地利用超表面的旋转和宽带线性偏振器来实现入射热辐射的光谱和偏振分解。

该系统产生可调谐的透射光谱，通过旋转超表面和偏振器到不同的角度来采样偏振和光谱通道上的入射辐射。这是通过超表面能够将不同波长的辐射旋转到不同的极化方向来实现的，从而有效地分离热辐射的光谱和极化成分。然后使用先进的计算成像算法处理获取的数据，特别是压缩字典学习和传感技术。这些算法能够从有限数量的测量中准确地重建未知光谱，即使在存在噪声和测量误差的情况下也能确保稳定可靠的光谱重建。

前所未有的热成像性能和多功能性

研究人员通过对具有不同微光栅结构的定制“PURDUE”目标进行成像，展示了该系统的能力。重建的光谱准确地捕获了每个字母独特的光谱偏振特征，揭示了传统热成像仪无法显示的复杂细节。研究人员还记录了以下关键成果:

光谱分辨率:该系统在波长大于10 μm的情况下，光谱分辨率为0.6 μm全宽半宽(FWHM)，能够检测到窄至0.1 μm的峰，这对于各种成像应用的详细表征至关重要。

偏振信息:旋转MetaCam捕获偏振信息，包括线偏振角(AoLP)和线偏振度(DOLP)，形成一个四维空间光谱偏振数据集，增强了其在各种应用中的实用性。

材料分类:在材料分类测试中，Spinning MetaCam优于传统全色热成像，实现了3倍的精度提高，平均精度(mAP)达到0.834。

宽视场:与基于干涉仪的有限视场的光谱成像仪不同，Spinning MetaCam提供20.5°的宽视场，将其多功能性扩展到需要更大成像区域的场景。

研究意义及未来展望

本文提出的基于旋转超表面的光谱偏振热成像技术代表了热成像技术的重大进步。

“传统的自主导航方法严重依赖于RGB相机，这些相机在低光或恶劣天气等具有挑战性的条件下很难使用。当与热辅助检测和测距技术相结合时，我们的光谱偏振热像仪可以在这些困难的场景中提供重要信息，提供比RGB或传统热像仪更清晰的图像。”该研究的第一作者，普渡大学欧洲经委会博士后研究员王学基。

该系统显示光谱和极化特征的能力也为非破坏性表征和科学探索提供了机会，特别是在理解各向异性热传导和定向传热方面。这对于材料科学、环境监测和遥感行业来说是非常宝贵的，可以提供新的见解并使更明智的决策成为可能。

研究人员的目标是在提高光谱分辨率、传输效率和处理速度的同时实现视频捕获。他们还计划改进用于先进光处理的超表面设计，使用改进的材料将该方法扩展到室温成像，并结合抗反射涂层等技术。

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参考文献及深入阅读

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