研究人员开发了一种使用超光学设备进行热成像的技术。该方法可以捕获有关成像物体的更丰富的信息，包括光谱和偏振细节，这可以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。
根据研究小组负责人Zubin Jacob的说法，该方法能够克服传统光谱成像仪的局限性，这些光谱成像仪由于依赖大型滤光片轮或干涉仪而通常笨重而脆弱。“我们将超光学设备和尖端的计算成像算法相结合，创建了一个既紧凑又坚固，同时又具有大视野的系统，”他说。
新的光谱偏振分解系统使用一堆旋转的超表面将热光分解成其光谱和偏振分量。这使得成像系统能够捕获热辐射的光谱和偏振细节，以及与传统热成像相同的强度信息。
该团队表明，光学系统可以与商用热像仪一起使用，以成功对各种材料进行分类，这对于传统热像仪来说通常具有挑战性。
“传统的自主导航方法严重依赖RGB摄像头，这些摄像头在弱光或恶劣天气等具有挑战性的条件下挣扎，”第一作者、普渡大学博士后研究员王学基说。“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。一旦我们实现了实时视频捕获，该技术可以显着增强场景感知和整体安全性。
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，当今的光谱偏振长波红外成像仪体积庞大，光谱分辨率和视场有限。
为了克服这些局限性，研究人员转向了大面积超表面——可以以复杂方式操纵光的超薄结构表面。在设计了具有定制红外响应的纺丝色散超表面后，他们开发了一种制造工艺，使这些超表面可用于制造适合成像应用的大面积纺丝器件。由此产生的旋转堆栈尺寸为 <10 × 10 × 10 厘米，可与传统的红外热像仪一起使用。
“将这些大面积超光学器件与计算成像算法集成在一起，有助于热辐射光谱的有效重建，”Wang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。”
为了评估他们的新系统，研究人员使用各种材料和微观结构拼出了“普渡大学”，每种材料和微观结构都具有独特的光谱偏振特性。利用系统获取的光谱偏振信息，他们准确地区分了不同的材料和物体。与传统的热成像方法相比，它们还展示了材料分类精度的三倍提高，突出了该系统的有效性和多功能性。
据研究人员称，该方法能够区分温度变化并根据光谱偏振特征识别材料，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。
“例如，在安全方面，它可以通过检测人员身上的隐藏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用性，使其特别有利于自主导航等应用。”
除了努力使用该系统实现视频捕获外，研究人员还寻求提高该技术的光谱分辨率、传输效率以及图像捕获和处理的速度。他们还计划改进超表面设计，以实现更复杂的光操作，从而获得更高的光谱分辨率。此外，他们希望将该方法扩展到室温成像，因为超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做到这一点。
该研究发表在Optica上。
