新型大孔径红外热成像超构透镜，助力中波红外远距离成像系统
2025-11-29 13:46:38 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
研究人员提出了一种Golay超构透镜计算成像策略，通过结合特定空间布局的小孔径阵列与重建算法，可复现由单个大孔径透镜实现的高分辨率、高对比度图像。
中波红外（MWIR）远距离成像对国防、工业及环境检测等领域至关重要，其高分辨率成像需依赖超大孔径（100 mm -1000 mm）透镜来实现。传统的玻璃基折射光学系统体积庞大且成本高昂。超构透镜（Metalens）作为轻量化替代方案，在大孔径制造方面却面临技术瓶颈。
据麦姆斯咨询报道，近日，美国莱斯大学（Rice University）和华盛顿大学（University of Washington）的研究团队提出了一种Golay超构透镜计算成像策略，通过结合特定空间布局的小孔径阵列与重建算法，可复现由单个大孔径透镜实现的高分辨率、高对比度图像。该设计天然具备可扩展至更大孔径的潜力。研究团队基于神经网络的去噪图像重建算法，成功研制了直径89 mm、焦距356 mm的原型器件，实现了近衍射极限的成像性能。研究团队进一步设计了大型递归式Golay超构透镜，在模拟中展现出更高的空间分辨率。这项成果为开发可扩展且低成本的实用型高性能中波红外成像系统奠定了重要基础。相关研究成果以“A golay metalens for long-range, large aperture, thermal imaging via sparse aperture computational imaging”为题发表于Nature Communications期刊。
Golay透镜构型由具有非冗余自相关性的阵列组成，可以实现宽带且紧凑的空间频率覆盖，其子孔径数量通常设置为3的倍数。增加子孔径数量，例如从3个（Golay₃）增到6个（Golay₆）或9个（Golay₉），能够通过扩展自相关域覆盖范围来提升空间频率采样能力。其中Golay₆在成像性能与可制造性之间取得了实用化平衡：其调制传递函数（MTF）覆盖范围优于Golay₃，同时仍比Golay₉更具可行性，因为后者复杂的坐标布局带来显著的制造挑战。虽然Golay₆颇具前景，研究团队仍通过增设中央子孔径将其扩展为6+1子孔径系统（Golay₆₊₁，如图1d）。Golay₆₊₁相比Golay₆具备两大核心优势：（1）中央子孔径的引入增强了低频和中频MTF响应，从而有效提升了图像质量（如图1e）；（2）中央子孔径在制造和工作阶段均可作为对准基准。
图1 稀疏孔径超构透镜成像
研究团队制备并实验测试了Golay₆₊₁超构透镜（含中央子孔径及有效孔径）。在孔径区域内，采用双曲相位分布，该设计因对制造缺陷具有强鲁棒性且能直接聚焦目标波长的能力而成为优选方案。为确保子孔径坐标的对准误差保持在可接受的制造公差范围内，研究团队开展了扰动实验，相关结果如图2所示。接着，研究人员将相位值转换为纳米结构尺寸，并相应地创建制造布局设计。超构透镜采用全硅平台实现，通过在硅晶圆上直接蚀刻硅纳米结构，简化了制造流程。
图2 Golay孔径（d = 16 mm，d = 89 mm）在λ = 4.5 μm波长下的扰动模拟结果及制备的超构透镜实物图
为了评估稀疏孔径超构透镜的成像性能，研究团队对四类靶标进行了测试：木制USAF分辨率靶（100 × 100 mm）、木制西门子星靶（直径40 mm）、木制雪花靶（最大宽度85 mm）和十字靶（最大宽度16 mm）。为提高稀疏孔径系统的成像清晰度，研究人员采用HQS算法结合扩展残差U型网络（DRUNet）深度学习模型，对稀疏孔径超构透镜捕获的图像进行重建修复，相关成像结果如图3所示。为了进一步验证该系统的远距离成像能力，研究团队在低辐射模式下对加热器进行了成像测试，相关实验设置及结果如图4所示。
图3 距离超构透镜7.5米处对三类靶标（西门子星靶、USAF分辨率靶、木制雪花靶）的成像结果
图4 距超构透镜15米和30米处的低辐射模式下对加热器的成像结果
鉴于当前单晶圆尺寸限制和大孔径超构透镜的制造挑战，研究团队通过递归式稀疏孔径设计的理论研究，推动该系统的进一步扩展。这种方法可实现更大的孔径尺寸，这对于延长焦距和增强远距离成像能力至关重要。研究人员基于7个离散Golay孔径系统，设计出含49个子孔径的递归稀疏孔径系统（直径近50 cm）。多晶圆集成的递归式稀疏孔径超构透镜研究结果如图5所示。
图5 递归式Golay₆₊₁超构透镜系统的性能表征（焦比F/# = 4）
综上所述，研究人员通过实验验证了Golay₆₊₁超构透镜和理论探索的递归式Golay₆₊₁设计，结合高效图像重建算法，为突破单个超构透镜因制造限制导致的分辨率瓶颈提供了极具前景的解决方案。具体而言，该方案可使成像系统的体积缩减多个数量级，如果不采用超构表面方案则无法实现。事实上，这种方案突破性地克服了超大孔径超构表面的制造难题，这曾被视为重大技术挑战。这项研究进展为开发轻量化、高分辨率的中波红外远距离成像系统奠定了基础。未来需解决的关键的挑战包括：单个超构透镜作为子孔径的精确对准，以及提升易损超构透镜的耐久性和可靠性。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-65188-y
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