具有超表面的光学屏有望让红外相机更便宜更小巧

墨尔本大学澳大利亚研究理事会变革性超构光学系统卓越中心（TMOS）牵头的一项新研究，展示了一种让不可见红外光变得可见的新方法，而且不必依赖当今红外相机所用的昂贵探测器技术。

红外光是人眼看不见的一种光，却携带着热量和环境物体的信息，广泛用于环境监测、工业检测、医疗和安防领域。

但红外相机等技术仍然价格高昂，因为它们依赖专用探测器，这类探测器制造成本高，还往往需要冷却。

一支国际研究团队展示了一种观察红外光的新方法，有朝一日可能让这类系统更小、更轻，成本也大幅降低。研究发表在《光：科学与应用》上。

紧凑型光学屏

第一作者Nima Sefidmooye Azar博士在墨尔本大学 TMOS 期间完成了这项工作，现就职于昆士兰大学。阿扎尔说，团队开发出一种光学屏——“超表面”——表面布满比一根头发丝宽度还小几千倍的微小结构。

这块屏能把不可见的红外光直接转成可见光，同时让转换后的图像亮度提高1000倍以上。它的原理是调控光的传播方式，把不可见红外光汇聚到需要的位置，从而让图像更亮。

Azar说：“红外成像潜力巨大，但如今的相机通常依赖昂贵的半导体探测器。我们的平台提供了一种完全不同的思路：用一块紧凑的光学屏，把红外图像转换成可见图像。”

把光汇聚到纳米颗粒上

研究人员在图案化表面涂上由稀土材料制成的微小颗粒。这些颗粒吸收红外光，再以可见光的形式重新发射出来。

超表面经过专门设计，能够捕获并汇聚入射红外光，大幅增强光与纳米颗粒之间的相互作用。

这种方法让转换后的图像比纳米颗粒单独作用时亮1000倍以上。

图像更亮，也要保持清晰

共同作者、墨尔本大学 TMOS 教授Kenneth Crozier说，最大的难题在于，图像一调亮往往就变模糊。

与以往方法不同，新设计在提亮图像的同时保持了清晰，而这两个目标历来很难兼得。

Crozier说：“增亮程度会随光线入射角度变化，导致精细细节消失。”

团队通过设计一种新型超表面——“平带”介电超表面——解决了这个问题。即使光从不同角度入射，它也能保持稳定表现。

Crozier说：“我们设计的表面能让红外图像亮得多，又不会变模糊。”

团队成功展示了高分辨率红外转可见光成像，从红外图案中生成明亮、高对比度的可见图像，同时保留精细的空间细节。

迈向低成本器件

阿扎尔说，虽然目前原型需要主动红外照明，但随着纳米颗粒材料和超表面工程不断进步，所需红外光量有望大幅减少，实际应用也会更近一步。

他说，由于该器件兼容纳米压印光刻等可规模化制造方法，最终有望实现大面积、低成本的红外成像器件。

Azar说：“我们的平台把强上转换增强、角度稳定性和偏振无关性结合在一个紧凑器件中。这种方法为轻量、无探测器的红外成像技术开辟了一条路。”

这项技术要走向商用还需进一步开发，但研究人员相信它最终会得到广泛应用。

Azar说：“潜在应用包括夜视、遥感、生物医学成像，以及与标准可见光成像技术兼容的紧凑型红外相机。”

相关链接：https://dx.doi.org/10.1038/s41377-026-02449-5