研究人員創造了一種利用元光學設備進行熱成像的新技術。這種方法可提供有關被成像物體的更詳細信息，從而有可能擴大熱成像技術在自主導航、安防、熱成像、醫學成像和遙感領域的應用。

“我們的方法克服了傳統光譜熱成像儀的難題，傳統熱成像儀由於依賴於大型濾光輪或乾涉儀，通常都比較笨重和精密，”研究團隊負責人、來自普渡大學的祖賓-雅各（Zubin Jacob）說。”我們將元光學設備和尖端計算成像演算法結合起來，創造出一種既緊湊又堅固，同時還具有大視場的系統。”

在光學出版集團的高影響力研究期刊《光學》（Optica）上，作者介紹了他們的新型光譜偏振分解系統，該系統利用一疊旋轉元表面將熱光分解為光譜和偏振成分。這樣，除了傳統熱成像技術所獲得的強度資訊外，成像系統還能捕捉熱輻射的光譜和偏振細節。

研究人員的研究表明，新系統可與商用熱像儀配合使用，成功地對各種材料進行分類，而這對於傳統熱像儀來說通常是一項具有挑戰性的任務。這種方法能夠根據光譜偏振特徵區分溫度變化和識別材料，有助於提高包括自動導航在內的各種應用的安全性和效率。

旋轉元表面堆疊可將熱光分解為光譜和偏振成分。研究人員將元表面堆疊與傳統的長波紅外線攝影機和計算成像演算法相結合，創建了一個緊湊而強大的光譜熱成像系統。

本文第一作者、普渡大學博士後研究員王學吉說：”傳統的自主導航方法主要依賴於RGB 攝影機，而這種攝影機在光線不足或天氣惡劣等惡劣條件下難以發揮作用。與熱輔助探測和測距技術相結合，我們的光譜偏振熱像儀可以在這些困難的情況下提供重要信息，比RGB 或傳統熱像儀提供更清晰的圖像。一旦我們實現了實時視頻捕捉，該技術就能大大提高場景感知能力和整體安全性。”

用更小的相機做更多的事情

長波紅外光譜偏振成像對於夜視、機器視覺、微量氣體感測和熱成像等應用至關重要。然而，現今的光譜極座標長波紅外線成像儀體積龐大，光譜解析度和視場有限。

為了克服這些限制，研究人員轉向大面積元表面–能以複雜方式操縱光線的超薄結構表面。在設計出具有客製化紅外線響應的旋轉色散元表面後，他們開發出了一種製造工藝，可以利用這些元表面製造出適合成像應用的大面積（直徑2.5 公分）旋轉設備。由此產生的旋轉堆疊尺寸小於10 x 10 x 10 厘米，可與傳統紅外線攝影機配合使用。

“將這些大面積元光學設備與計算成像演算法相結合，有助於高效地重建熱輻射光譜。這使得光譜極坐標熱成像系統比以前的系統更加緊湊、堅固和有效”。

利用熱成像技術對材料進行分類

為了評估他們的新系統，研究人員使用各種材料和微結構拼出了”普渡大學”字樣，每種材料和微結構都具有獨特的光譜極坐標特性。利用該系統所獲得的光譜極座標訊息，他們準確地區分了不同的材料和物體。他們還證明，與傳統熱成像方法相比，該系統的材料分類準確性提高了三倍，凸顯了該系統的有效性和多功能性。

研究人員說，這種新方法對於需要詳細熱成像的應用尤其有用。”例如，在安全領域，它可以通過檢測隱藏在人身上的物品或物質來徹底改變機場系統，王學吉說。”此外，其緊湊堅固的設計增強了其在不同環境條件下的適用性，使其特別有利於自主導航等應用”。

除了利用該系統實現視訊捕捉之外，研究人員還在努力提高該技術的光譜解析度、傳輸效率以及影像擷取和處理速度。他們還計劃改進元表面設計，以實現更複雜的光操作，從而獲得更高的光譜解析度。此外，他們還希望將該方法擴展到室溫成像，因為元表面堆疊的使用限制了該方法對高溫物體的應用。他們計劃利用改進的材料、元表面設計和抗反射塗層等技術來實現這一目標。

編譯自/ ScitechDaily