紅外成像設(shè)備小型化新的技術(shù)路徑：長波紅外超透鏡

眾所周知，所有溫度高于絕對零度的物體都在輻射紅外電磁波，而紅外成像技術(shù)正是利用物體的紅外輻射獲取其內(nèi)在特性的技術(shù)。紅外成像技術(shù)具有不依賴可見光、實時、非接觸、非侵入等優(yōu)點，因而在工業(yè)檢測、醫(yī)療影響、安防監(jiān)控、探測制導(dǎo)、軍事偵察等軍民多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而，紅外成像技術(shù)也存在一些局限性。一是目前市售的紅外相機通常價格昂貴、體積重量大。雖然近期FLIR發(fā)布的用于移動設(shè)備的紅外相機(如FLIROne)具備緊湊和輕量化的特征，該相機的鏡頭口徑僅有幾毫米，這制約了它對遠(yuǎn)距離物體的成像能力。二是相比于可見光相機，紅外相機所成的圖像細(xì)節(jié)較難解讀，需要使用者經(jīng)過專門的培訓(xùn)。三是紅外相機的成像質(zhì)量受環(huán)境溫度、濕度等因素影響較大，紅外鏡頭對無熱化的要求很高。新研究：用于測溫和氣體檢測的長波紅外超透鏡相機超透鏡是輕量化的平面透鏡，它利用亞波長結(jié)構(gòu)單元的陣列實現(xiàn)光的波前調(diào)控。構(gòu)成超透鏡的亞波長結(jié)構(gòu)單元可以用制作圖像傳感器所用的工具，如光刻機、等離子刻蝕機等實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，而生產(chǎn)出來的超透鏡也可以與圖像傳感器在同一生產(chǎn)線上直接組裝，這與傳統(tǒng)的折射透鏡和相機模組的制造流程是截然不同的。在過去的幾年里，學(xué)術(shù)界報道了大量用于成像的超透鏡，然而這些超透鏡的工作波段大多位于可見光和近紅外。在具有戰(zhàn)略重要性的中長波，特別是長波紅外，成像超透鏡的工作極為有限。另外，大部分報道的超透鏡的口徑都非常小，通常只有幾百微米，絕大多數(shù)不超過幾毫米。然而，要適配主流紅外相機的傳感器靶面，超透鏡的口徑需要達(dá)到厘米級。值得一提的是，在本工作的數(shù)據(jù)整理和撰稿過程中，已經(jīng)有用于長波紅外的兩厘米口徑超透鏡的工作報道。創(chuàng)新點及試驗結(jié)果在此項工作中，題組設(shè)計并制造了五厘米口徑的全硅超透鏡，該尺寸足以適配市售紅外相機的傳感器靶面。該超透鏡由直接在硅晶圓上刻蝕的硅納米柱陣列構(gòu)成，透鏡的設(shè)計工作波長為10.6μm，焦距為34mm，F(xiàn)數(shù)為0.68，數(shù)值孔徑NA=0.592。為制造如此大口徑的超透鏡，該課題組原創(chuàng)性的提出并成功開發(fā)了一種“多版圖拼接式投影曝光”的技術(shù)。該技術(shù)將5cm超透鏡的圖形劃分為9個部分，每個部分用一塊掩模版實現(xiàn)。在完成9次投影曝光的過程后，再經(jīng)過顯影和干法刻蝕，便得到完整的大口徑超透鏡。利用該技術(shù)，團隊在6寸硅晶圓上成功制造了4個5cm口徑的超透鏡。經(jīng)測量，相鄰掩模之間的拼接誤差可以控制在200nm以內(nèi)。需要指出的是，他們開發(fā)的“多版圖拼接式投影曝光”的技術(shù)，原則上可以制造任意尺寸的大口徑超透鏡，例如可以在8寸晶圓上制造10cm以上口徑的超透鏡。并且該技術(shù)并不依賴于圖形的任何對稱性，因此對超透鏡的各種陣列排布設(shè)計具有普適性。圖1

利用“多版圖拼接式投影曝光”的技術(shù)制造大口徑超透鏡為了測試5cm口徑超透鏡的成像性能，該課題組首先使用工作波長為10.6μm的二氧化碳激光器作為照明光源，測得的透鏡的聚焦光斑尺寸小于20μm。結(jié)果顯示，該超透鏡在工作波長為10.6μm的條件下，成像性能優(yōu)于同等口徑的市售非球面透鏡。為了測試超透鏡在8-12μm波段的寬譜成像性能，他們采用了一款氧化釩非制冷焦平面探測器作為與超透鏡適配的圖像傳感器，該焦平面的面陣大小為1280*1024，像素大小為12μm。為了評估和比較不同成像模式下的像質(zhì)，他們選取了NIQE指數(shù)作為像質(zhì)評價指標(biāo)，該指標(biāo)的數(shù)值越小代表像質(zhì)性能越好。結(jié)果顯示：（1）單個5cm超透鏡的成像質(zhì)量已經(jīng)優(yōu)于單個22.5mm口徑的非球面透鏡；（2）在使用窄帶濾光片約束成像帶寬后，超透鏡的成像質(zhì)量有明顯提高；（3）在經(jīng)過去卷積算法(deconvolution)的優(yōu)化后，圖像質(zhì)量還可以得到進(jìn)一步的提升。該課題組對不同距離的目標(biāo)物進(jìn)行了成像實驗，結(jié)果顯示：（1）對于5m處的目標(biāo)物，超透鏡相機可以清楚分辨目標(biāo)物的細(xì)節(jié)，而采用5.5mm口徑非球面透鏡的市售紅外相機則無法分辨該目標(biāo)物的細(xì)節(jié)；（2）對于50m處的目標(biāo)物，超透鏡相機仍然可以判斷目標(biāo)物的有無。他們也對超透鏡進(jìn)行了鍍增透膜的實驗，結(jié)果顯示，常規(guī)的長波紅外增透膜可以將超透鏡的絕對透過率從鍍膜前的50%左右提升到鍍膜后的70%左右，并且經(jīng)過膜系優(yōu)化，鍍膜后的超透鏡的長波紅外透過率有望達(dá)到80%以上。圖2超透鏡相機成像實驗結(jié)果他們也對超透鏡的無熱化特性進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示，超透鏡的聚焦特性可以在-60℃到80℃保持穩(wěn)定，這對紅外成像具有重要意義。在與紅外焦平面適配時，超透鏡有兩種可能的工作模式：一是超透鏡允許寬譜光通過，因此探測器可以接收到較高的能量，獲得較高的性噪比。然而，由于超透鏡固有的色散特性，該模式的圖像質(zhì)量較差。這種模式可以用于測量目標(biāo)物的溫度分布。二是采用窄帶濾光片選擇性的通過一個窄譜段的光，此時探測器接收到的能量較小。在該模式中，因為成像帶寬受限，色散的影響得到控制，成像質(zhì)量也相應(yīng)得到提升。而這種模式也可以結(jié)合各種氣體的特征吸收譜段實現(xiàn)多光譜氣體成像。對于第一種模式，該課題組用超透鏡相機進(jìn)行了成像測溫的實驗，并與FLIR的校準(zhǔn)過的成像測溫儀進(jìn)行比對。結(jié)果顯示，經(jīng)過校準(zhǔn)后的超透鏡相機可以在40℃~240℃的范圍內(nèi)實現(xiàn)成像測溫，誤差不超過5%。對于第二種模式，他們以六氟化硫(SF6)為目標(biāo)氣體進(jìn)行了氣體泄漏檢測實驗。結(jié)果顯示，超透鏡相機可以清晰的顯示SF6氣體的泄露情況，并且能檢測氣體的泄漏速率和流向。圖3超透鏡相機用于溫度測量和氣體泄漏檢測小結(jié)課題組設(shè)計、制造、測試了5cm口徑的全硅超透鏡，該超透鏡的厚度為0.5mm、重量為3.7g，