研究簡介

紅外輻(fu)射(she)熱成像(xiang)(xiang)技術因其非接觸(chu)式的(de)特性而被(bei)廣泛應用于各個領域。傳統紅外探(tan)測(ce)器(qi)的(de)響(xiang)應強(qiang)弱(ruo)受到待測(ce)物(wu)溫度影響(xiang)的(de)同時，也會受到材料發射(she)率(lv)的(de)影響(xiang)。這(zhe)會引起許多(duo)誤差(cha)，使得(de)實(shi)際溫度難以準(zhun)確測(ce)量。比色測(ce)溫法(fa)是一種與發射(she)率(lv)無關的(de)輻(fu)射(she)測(ce)溫方法(fa)。這(zhe)項技術要求測(ce)量兩個或(huo)多(duo)個光譜波段(duan)的(de)輻(fu)射(she)，并根據波段(duan)之間的(de)輻(fu)射(she)強(qiang)度關系計算物(wu)體的(de)溫度，從而減少發射(she)率(lv)帶(dai)來的(de)干擾(rao)。然而，這(zhe)種方法(fa)往往需(xu)要笨重的(de)光學(xue)系統、繁冗(rong)的(de)濾光片成像(xiang)(xiang)配置或(huo)者復雜的(de)傳感器(qi)結構(gou)。

圖1 雙波段超(chao)透鏡比色熱(re)成像(xiang)示意圖(tu)。

考慮到現有方法的局限性，188bet足球微納米復合材料(liao)實驗(yan)室趙旸教授和香港城市大學(xue)電(dian)機工(gong)程系(xi)陳沐谷助(zhu)理教授團(tuan)隊展(zhan)開合作，研(yan)究設計了一款(kuan)用于紅外比色熱成(cheng)像的雙(shuang)波段超(chao)透(tou)鏡。其中心波長為9.5 μm和12.5 μm，可以(yi)將(jiang)紅(hong)外(wai)輻射根據(ju)波長分別聚焦于兩個水平錯(cuo)開的(de)焦點上。在保持光學(xue)系統的(de)簡單和緊湊的(de)同(tong)時，該方法(fa)在60-180℃的溫度范圍內使測(ce)溫的平均誤差降低了50.16%。這(zhe)一(yi)研究為在復(fu)雜環(huan)境中的動態(tai)紅外檢測和(he)多目標紅外檢測提供了新的可能性。相關研究(jiu)成果以“Colorimetric Thermography by a Long-Infrared Dual-Band Metalens”為題，發(fa)表在納米科學Top期(qi)刊《Advanced Science》。

研(yan)究內(nei)容(rong)

圖2 雙波(bo)段(duan)超透(tou)鏡比色熱成像原(yuan)理。

超透(tou)(tou)鏡(jing)(jing)是一(yi)種(zhong)(zhong)基于(yu)亞波(bo)(bo)長結構設計的(de)(de)(de)平面透(tou)(tou)鏡(jing)(jing)，通過(guo)亞波(bo)(bo)長結構的(de)(de)(de)排列組合(he)靈活操控(kong)光(guang)(guang)波(bo)(bo)的(de)(de)(de)相位、幅度或偏振，可以實現(xian)光(guang)(guang)的(de)(de)(de)精確聚焦和控(kong)制(zhi)。這種(zhong)(zhong)技術使得超透(tou)(tou)鏡(jing)(jing)具有(you)緊(jin)湊的(de)(de)(de)尺(chi)寸、設計靈活性和對(dui)不(bu)同光(guang)(guang)譜的(de)(de)(de)高效控(kong)制(zhi)能力(li)。本(ben)工(gong)作(zuo)中的(de)(de)(de)雙波(bo)(bo)段超透(tou)(tou)鏡(jing)(jing)采(cai)用(yong)了(le)納米(mi)結構空間(jian)復用(yong)的(de)(de)(de)設計方法，在單個孔(kong)徑內編碼了(le)兩種(zhong)(zhong)薄透(tou)(tou)鏡(jing)(jing)的(de)(de)(de)相位分布。如圖2所(suo)示，當寬帶光通過超透鏡時，它對不同波(bo)長(chang)的光分量施加了(le)特定的調控。這兩個等效透鏡具有(you)相(xiang)同的聚焦距離(li)，但在離(li)軸方向上(shang)具有(you)不同的對齊(qi)位置（+x? 和 -x?），從而(er)在(zai)單個(ge)紅外(wai)傳感器的不同區域上(shang)形成兩(liang)個(ge)相鄰的圖像(xiang)(xiang)(xiang)。基于(yu)一對(dui)輸入(ru)(ru)圖像(xiang)(xiang)(xiang)，計算兩(liang)幅輸入(ru)(ru)圖像(xiang)(xiang)(xiang)中對(dui)應像(xiang)(xiang)(xiang)素的強度(du)比值(zhi)，然(ran)后通過插值(zhi)確定相應的溫度(du)值(zhi)，即可生成最終的熱(re)成像(xiang)(xiang)(xiang)圖。

圖3 雙波(bo)段超透鏡(jing)的波(bo)長選擇性(xing)聚焦與(yu)雙波(bo)段成像(xiang)。

實(shi)驗中超透(tou)鏡的(de)(de)雙(shuang)聚焦與(yu)(yu)雙(shuang)波段成像(xiang)的(de)(de)效果如圖三(san)所示。研(yan)究者(zhe)在平面光(guang)(guang)源與(yu)(yu)超透(tou)鏡之間交替(ti)插入不同(tong)波段的(de)(de)濾光(guang)(guang)片，用于測量(liang)在不同(tong)波長下(xia)聚焦的(de)(de)分布。測量(liang)與(yu)(yu)模(mo)擬(ni)的(de)(de)焦平面光(guang)(guang)強分布相(xiang)互吻合較好，實(shi)際測得(de)兩個焦點之間的(de)(de)距離為1.03 cm，與設(she)計值1 cm接近。光(guang)強隨著入射波長的(de)增加從(cong)右(you)焦點逐漸轉移至左焦點，驗證(zheng)了雙(shuang)波段超(chao)透(tou)鏡波長選擇與聚(ju)焦的(de)特性。

圖4 比色熱成像(xiang)的實驗設置與(yu)結果。

    本(ben)工(gong)作在實驗(yan)上測(ce)量了溫(wen)度(du)與(yu)強度(du)比之間的關系曲線，并對(dui)低發射率物體進(jin)行(xing)了比色熱成(cheng)像，實驗(yan)裝置如(ru)圖(tu)4(a)所示。由于發射率的差異（玻璃：0.9，CuO：0.51），盡管兩片薄片的(de)(de)(de)溫(wen)(wen)度相(xiang)同(tong)(tong)，其(qi)熱(re)圖(tu)像的(de)(de)(de)亮度卻顯著不同(tong)(tong)。研究者選用(yong)具有高(gao)且穩定(ding)發射率(lv)的(de)(de)(de)玻璃作為黑體，通過(guo)測(ce)量其(qi)在(zai)不同(tong)(tong)溫(wen)(wen)度下的(de)(de)(de)強度比(bi)，繪制(zhi)出可用(yong)于(yu)比(bi)色測(ce)溫(wen)(wen)的(de)(de)(de)標定(ding)曲線(xian)，標定(ding)曲線(xian)表(biao)現出顯著的(de)(de)(de)線(xian)性(xing)關系。由(you)于(yu)低發射率(lv)的(de)(de)(de)影響，在(zai)未(wei)設定(ding)發射率(lv)參數的(de)(de)(de)情況下，商業紅外相(xiang)機(ji)測(ce)得的(de)(de)(de)CuO溫(wen)度與實際溫(wen)度存在(zai)明顯偏差。本工(gong)作通過比色測(ce)溫(wen)法對CuO進行測溫，校正后(hou)的溫度結(jie)果如圖4(d)中的(de)紫色曲線(xian)所示。采用比色方法后，測(ce)得的(de)溫度曲線(xian)與(yu)標(biao)準曲線(xian)更(geng)加吻合。進(jin)一步計(ji)算測(ce)量曲線(xian)與(yu)標(biao)準曲線(xian)之間的(de)面積（誤(wu)差(cha)程(cheng)度）發(fa)現，在60至(zhi)180攝氏度(du)的溫(wen)度(du)范圍內，平均誤差(cha)減少了50.16%。

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原文鏈(lian)接(jie)：//onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202408683