據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，澳大利亞國(guó)立大學(xué)（The Australian National University）開創(chuàng)性超構(gòu)光學(xué)系統(tǒng)ARC卓越中心（TMOS）的研究人員近期在夜視技術(shù)領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展，他們制造出了一種比保鮮膜還薄的紅外濾光片，有朝一日可以將其裝配在日常眼鏡上，使用戶可以同時(shí)看到紅外光和可見光光譜。

面向視覺應(yīng)用的紅外光到可見光的上轉(zhuǎn)換

目前，夜視設(shè)備主要用于軍隊(duì)、熱衷于隨身攜帶多用途望遠(yuǎn)鏡的狩獵愛好者或者樂于攜帶沉重鏡頭的攝影師。這主要受制于夜視設(shè)備的重量和體積。一般人不會(huì)在夜間跑步時(shí)在額頭上再綁上重達(dá)一公斤的夜視儀。

因此，夜視儀的微型化具有廣泛的應(yīng)用潛力。制造出重量不到一克的夜視濾光片，并將其作為一層薄膜覆蓋在傳統(tǒng)眼鏡上，有望開辟新的日常應(yīng)用。

消費(fèi)類夜視眼鏡可以讓用戶同時(shí)看到可見光和紅外光光譜，從而使黑暗中的駕駛和步行更安全，此外，對(duì)于需要在微光下工作的場(chǎng)景，還可以避免佩戴笨重且易引起不適的頭燈。

TMOS研究人員在Advanced Materials期刊上發(fā)表了這項(xiàng)研究成果，展示了采用非局域鈮酸鋰超構(gòu)表面的增強(qiáng)型紅外視覺非線性上轉(zhuǎn)換技術(shù)。

傳統(tǒng)夜視技術(shù)需要紅外光子通過透鏡，到達(dá)光電陰極，將這些光子轉(zhuǎn)化為電子，電子再通過一個(gè)微通道板，以增加產(chǎn)生的電子數(shù)量。這些電子再穿過熒光屏，重新轉(zhuǎn)化為光子，產(chǎn)生人眼可以看到的增強(qiáng)可見光圖像。

這些元件通常需要低溫冷卻，以防止熱噪聲也被增強(qiáng)。上述類似的高質(zhì)量夜視系統(tǒng)既笨重又龐大。此外，這些系統(tǒng)通常會(huì)阻擋可見光。

非局域鈮酸鋰超構(gòu)表面形貌幾何示意圖

相比之下，基于超構(gòu)表面的上轉(zhuǎn)換技術(shù)需要的元件更少，大大減少了占位面積。光子通過單個(gè)諧振超構(gòu)表面，與泵浦光束混合。諧振超構(gòu)表面增強(qiáng)了光子的能量，將它們引入可見光光譜，而無需進(jìn)行電子轉(zhuǎn)換。不僅如此，它還能在室溫下工作，無需笨重的冷卻系統(tǒng)。

此外，傳統(tǒng)的紅外光和可見光成像系統(tǒng)無法生成完全相同的圖像，因?yàn)樗鼈冎荒芊謩e捕捉兩種光譜的圖像。通過使用上轉(zhuǎn)換技術(shù)，成像系統(tǒng)可以在一張圖像中同時(shí)捕捉可見光和非可見光。

這項(xiàng)研究是對(duì)研究人員最初采用砷化鎵超構(gòu)表面技術(shù)的改進(jìn)。新的超構(gòu)表面由鈮酸鋰制成，在可見光波段完全透明，因此效率更高。此外，光子束在更寬的表面上傳播，降低了數(shù)據(jù)的角損失。

非局域超構(gòu)表面的非線性表征

該論文第一作者Laura Valencia Molina介紹說：“此前人們認(rèn)為，從紅外光到可見光的高效上轉(zhuǎn)換無法實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榉蔷钟虺瑯?gòu)表面固有的角損失會(huì)導(dǎo)致大量信息無法收集。我們克服了這些限制，并通過實(shí)驗(yàn)證明了高效的圖像上轉(zhuǎn)換。”

作者Rocio Camacho Morales說：“這是首次在非局域超構(gòu)表面上演示從1550 nm紅外光到550 nm可見光的高分辨率上轉(zhuǎn)換成像。我們選擇這些波長(zhǎng)是因?yàn)?550 nm紅外光通常用于電信，而550 nm是人眼高度敏感的可見光。”

采用空間變化非局域超構(gòu)表面的組合成像和圖像處理概念

未來的進(jìn)一步研究將包括擴(kuò)大器件的敏感波長(zhǎng)范圍，旨在獲得寬帶紅外成像，以及探索包括邊緣檢測(cè)在內(nèi)的圖像處理。

首席研究員Dragomir Neshev說：“這些研究成果為監(jiān)控、自主導(dǎo)航和生物成像等應(yīng)用帶來了重大機(jī)遇。降低夜視技術(shù)的尺寸、重量和功耗要求，是超構(gòu)光學(xué)對(duì)‘工業(yè)4.0’以及未來技術(shù)微型化至關(guān)重要的示例，也是TMOS正在努力的研究方向。”