红外成像设备小型化新的技术路径：长波红外超透镜

众所周知，所有温度高于绝对零度的物体都在辐射红外电磁波，而红外成像技术正是利用物体的红外辐射获取其内在特性的技术。红外成像技术具有不依赖可见光、实时、非接触、非侵入等优点，因而在工业检测、医疗影响、安防监控、探测制导、军事侦察等军民多个领域得到广泛应用。然而，红外成像技术也存在一些局限性。一是目前市售的红外相机通常价格昂贵、体积重量大。虽然近期FLIR发布的用于移动设备的红外相机(如FLIROne)具备紧凑和轻量化的特征，该相机的镜头口径仅有几毫米，这制约了它对远距离物体的成像能力。二是相比于可见光相机，红外相机所成的图像细节较难解读，需要使用者经过专门的培训。三是红外相机的成像质量受环境温度、湿度等因素影响较大，红外镜头对无热化的要求很高。新研究：用于测温和气体检测的长波红外超透镜相机超透镜是轻量化的平面透镜，它利用亚波长结构单元的阵列实现光的波前调控。构成超透镜的亚波长结构单元可以用制作图像传感器所用的工具，如光刻机、等离子刻蚀机等实现大规模生产，而生产出来的超透镜也可以与图像传感器在同一生产线上直接组装，这与传统的折射透镜和相机模组的制造流程是截然不同的。在过去的几年里，学术界报道了大量用于成像的超透镜，然而这些超透镜的工作波段大多位于可见光和近红外。在具有战略重要性的中长波，特别是长波红外，成像超透镜的工作极为有限。另外，大部分报道的超透镜的口径都非常小，通常只有几百微米，绝大多数不超过几毫米。然而，要适配主流红外相机的传感器靶面，超透镜的口径需要达到厘米级。值得一提的是，在本工作的数据整理和撰稿过程中，已经有用于长波红外的两厘米口径超透镜的工作报道。创新点及试验结果在此项工作中，题组设计并制造了五厘米口径的全硅超透镜，该尺寸足以适配市售红外相机的传感器靶面。该超透镜由直接在硅晶圆上刻蚀的硅纳米柱阵列构成，透镜的设计工作波长为10.6μm，焦距为34mm，F数为0.68，数值孔径NA=0.592。为制造如此大口径的超透镜，该课题组原创性的提出并成功开发了一种“多版图拼接式投影曝光”的技术。该技术将5cm超透镜的图形划分为9个部分，每个部分用一块掩模版实现。在完成9次投影曝光的过程后，再经过显影和干法刻蚀，便得到完整的大口径超透镜。利用该技术，团队在6寸硅晶圆上成功制造了4个5cm口径的超透镜。经测量，相邻掩模之间的拼接误差可以控制在200nm以内。需要指出的是，他们开发的“多版图拼接式投影曝光”的技术，原则上可以制造任意尺寸的大口径超透镜，例如可以在8寸晶圆上制造10cm以上口径的超透镜。并且该技术并不依赖于图形的任何对称性，因此对超透镜的各种阵列排布设计具有普适性。图1

利用“多版图拼接式投影曝光”的技术制造大口径超透镜为了测试5cm口径超透镜的成像性能，该课题组首先使用工作波长为10.6μm的二氧化碳激光器作为照明光源，测得的透镜的聚焦光斑尺寸小于20μm。结果显示，该超透镜在工作波长为10.6μm的条件下，成像性能优于同等口径的市售非球面透镜。为了测试超透镜在8-12μm波段的宽谱成像性能，他们采用了一款氧化钒非制冷焦平面探测器作为与超透镜适配的图像传感器，该焦平面的面阵大小为1280*1024，像素大小为12μm。为了评估和比较不同成像模式下的像质，他们选取了NIQE指数作为像质评价指标，该指标的数值越小代表像质性能越好。结果显示：（1）单个5cm超透镜的成像质量已经优于单个22.5mm口径的非球面透镜；（2）在使用窄带滤光片约束成像带宽后，超透镜的成像质量有明显提高；（3）在经过去卷积算法(deconvolution)的优化后，图像质量还可以得到进一步的提升。该课题组对不同距离的目标物进行了成像实验，结果显示：（1）对于5m处的目标物，超透镜相机可以清楚分辨目标物的细节，而采用5.5mm口径非球面透镜的市售红外相机则无法分辨该目标物的细节；（2）对于50m处的目标物，超透镜相机仍然可以判断目标物的有无。他们也对超透镜进行了镀增透膜的实验，结果显示，常规的长波红外增透膜可以将超透镜的绝对透过率从镀膜前的50%左右提升到镀膜后的70%左右，并且经过膜系优化，镀膜后的超透镜的长波红外透过率有望达到80%以上。图2超透镜相机成像实验结果他们也对超透镜的无热化特性进行了研究。结果显示，超透镜的聚焦特性可以在-60℃到80℃保持稳定，这对红外成像具有重要意义。在与红外焦平面适配时，超透镜有两种可能的工作模式：一是超透镜允许宽谱光通过，因此探测器可以接收到较高的能量，获得较高的性噪比。然而，由于超透镜固有的色散特性，该模式的图像质量较差。这种模式可以用于测量目标物的温度分布。二是采用窄带滤光片选择性的通过一个窄谱段的光，此时探测器接收到的能量较小。在该模式中，因为成像带宽受限，色散的影响得到控制，成像质量也相应得到提升。而这种模式也可以结合各种气体的特征吸收谱段实现多光谱气体成像。对于第一种模式，该课题组用超透镜相机进行了成像测温的实验，并与FLIR的校准过的成像测温仪进行比对。结果显示，经过校准后的超透镜相机可以在40℃~240℃的范围内实现成像测温，误差不超过5%。对于第二种模式，他们以六氟化硫(SF6)为目标气体进行了气体泄漏检测实验。结果显示，超透镜相机可以清晰的显示SF6气体的泄露情况，并且能检测气体的泄漏速率和流向。图3超透镜相机用于温度测量和气体泄漏检测小结课题组设计、制造、测试了5cm口径的全硅超透镜，该超透镜的厚度为0.5mm、重量为3.7g，