研究人员使用一堆旋转超表面设备来捕获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。来源:普渡大学王学基

研究人员已经开发出一种使用超光学设备进行热成像的新技术。该方法提供了更丰富的被成像物体信息，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。

来自普渡大学的研究小组负责人Zubin Jacob说:“我们的方法克服了传统光谱热成像仪的挑战，传统光谱热成像仪由于依赖大型滤光轮或干涉仪，通常体积庞大，非常脆弱。”“我们将元光学设备和尖端的计算成像算法结合起来，创建了一个既紧凑又坚固的系统，同时还具有大视野。”

在《光学》杂志上，作者描述了他们新的光谱偏振分解系统，该系统使用一堆旋转的超表面将热光分解成光谱和偏振分量。这使得成像系统在传统热成像获得的强度信息之外，还可以捕获热辐射的光谱和偏振细节。研究人员表示，新系统可以与商用热像仪一起使用，成功地对各种材料进行分类，这是传统热像仪通常难以完成的任务。该方法能够根据光谱偏振特征区分温度变化和识别材料，有助于提高各种应用的安全性和效率，包括自主导航。

该论文的第一作者、普渡大学的博士后研究员王学基说:“传统的自主导航方法严重依赖于RGB相机，而RGB相机在低光或恶劣天气等具有挑战性的条件下很难工作。”“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情况下提供重要信息，提供比RGB或传统热像仪更清晰的图像。一旦我们实现实时视频捕捉，该技术可以显著提高场景感知和整体安全性。"

用更小的成像仪做更多事情

长波红外光谱偏振成像对于夜视、机器视觉、微量气体传感和热成像等应用至关重要。然而，目前的光谱偏振长波红外成像仪体积庞大，在光谱分辨率和视场上受到限制。为了克服这些限制，研究人员转向了大面积超表面——一种可以以复杂方式操纵光的超薄结构表面。在工程纺丝具有定制红外响应的分散超表面之后，他们开发了一种制造工艺，允许这些超表面用于制造适合成像应用的大面积(直径2.5厘米)纺丝设备。由此产生的纺丝堆尺寸小于10 x 10 x 10厘米，可以与传统的红外摄像机一起使用。王说:“将这些大面积的元光学设备与计算成像算法集成，有助于有效地重建热辐射光谱。”“这使得光谱偏振热成像系统比以前更紧凑、更强大、更有效。”

旋转的超表面堆叠将热光分解成光谱和偏振分量。研究人员将超表面叠加与传统的长波红外相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。来源:普渡大学王学基

热成像分类材料

为了评估他们的新系统，研究人员用各种材料和微结构拼出了“普渡”，每种材料和微结构都有独特的光谱偏振特性。利用系统获得的光谱偏振信息，他们准确地区分了不同的材料和物体。

他们还展示了与传统热成像方法相比，材料分类精度提高了三倍，突出了系统的有效性和多功能性。

研究人员表示，这种新方法对于需要详细热成像的应用尤其有用。“例如，在安检方面，它可以通过检测人们身上隐藏的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应性，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获外，研究人员还在努力提高该技术的光谱分辨率、传输效率和图像捕获和处理速度。

他们还计划改进超表面设计，以实现更高光谱分辨率的更复杂的光操作。此外，他们希望将该方法扩展到室温成像，因为使用超表面堆栈限制了该方法只能用于高温物体。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实现这一目标。