中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
近日，華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院易飛課題組在光電子領(lǐng)域的旗艦學(xué)術(shù)會(huì )議美國激光與光電子會(huì )議（CLEO 2022）上以“Lightweight Long-Wave Infrared Camera via a Single 5-Centimeter-Aperture Metalens （FM4F.4）”為題，報道了用于測溫和氣體檢測的長(cháng)波紅外超透鏡相機。CLEO會(huì )議被公認為光電子領(lǐng)域全球規格最高、規模最大、歷史最悠久、專(zhuān)業(yè)性最強、影響力最大的國際性盛會(huì )。易飛課題組的博士研究生侯銘銘、陳巖、李林翰等參與了相關(guān)研究。
研究成果簡(jiǎn)介：
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在特性的技術(shù)。紅外成像技術(shù)具有不依賴(lài)可見(jiàn)光、實(shí)時(shí)、非接觸、非侵入等優(yōu)點(diǎn)，因而在工業(yè)檢測、醫療影響、安防監控、探測制導、軍事偵察等軍民多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應用。
特別的，溫度測量和氣體檢測是紅外成像技術(shù)的兩項最廣為人知的應用，也是易飛課題組目前著(zhù)重關(guān)注的兩項應用。
然而，紅外成像技術(shù)也存在一些局限性：
局限性1：目前市售的紅外相機通常價(jià)格昂貴、體積重量大。雖然近期FLIR發(fā)布的用于移動(dòng)設備的紅外相機（如FLIR One）具備緊湊和輕量化的特征，該相機的鏡頭口徑僅有幾毫米，這制約了它對遠距離物體的成像能力。
局限性2：相比于可見(jiàn)光相機，紅外相機所成的圖像細節較難解讀，需要使用者經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)的培訓。
局限性3：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(wú)熱化的要求很高。
針對上述問(wèn)題，易飛課題組提出了利用大口徑超透鏡替代傳統的折射透鏡，構建輕量無(wú)熱化紅外相機的技術(shù)路線(xiàn)。超透鏡是輕量化的平面透鏡，它利用亞波長(cháng)結構單元的陣列實(shí)現光的波前調控。構成超透鏡的亞波長(cháng)結構單元可以利用制作圖像傳感器所用的工藝設備，例如光刻機、等離子刻蝕機等實(shí)現大規模生產(chǎn)，而生產(chǎn)出來(lái)的超透鏡也可以與圖像傳感器在同一生產(chǎn)線(xiàn)上直接組裝，這與傳統的折射透鏡和相機模組的制造流程是截然不同的。
在過(guò)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(jiàn)光和近紅外。在具有戰略重要性的中長(cháng)波，特別是長(cháng)波紅外，成像超透鏡的工作極為有限。
其次，大部分報道的超透鏡的口徑都非常小，通常只有幾百微米，絕大多數不超過(guò)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到厘米級。值得一提的是，在本研究工作的數據整理和撰稿過(guò)程中，已經(jīng)有用于長(cháng)波紅外的兩厘米口徑超透鏡的工作報道。
在易飛課題組這項研究工作中，設計并制造了5cm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成，超透鏡的設計工作波長(cháng)為10.6um，焦距為34mm，F數為0.68，數值孔徑NA=0.592。
為制造如此大口徑的超透鏡，易飛課題組原創(chuàng )性地提出并成功開(kāi)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(gè)部分，每個(gè)部分用一塊掩模版實(shí)現。在完成9次投影曝光的過(guò)程后，再經(jīng)過(guò)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)，易飛課題組成功在6寸硅晶圓上成功制造了4個(gè)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?xún)?。需要指出的是，研究人員開(kāi)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(lài)于圖形的任何對稱(chēng)性，因此對超透鏡的各種陣列排布設計具有普適性。
為了測試5cm口徑超透鏡的成像性能，首先使用工作波長(cháng)為10.6um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20um。結果顯示，該超透鏡在工作波長(cháng)為10.6um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8~12um波段的寬譜成像性能，研究人員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 x 1024像素，像素大小為12um。為了評估和比較不同成像模式下的像質(zhì)，選取了NIQE指數作為像質(zhì)評價(jià)指標，該指標的數值越小代表像質(zhì)性能越好。結果顯示：（1）單個(gè)5cm超透鏡的成像質(zhì)量已經(jīng)優(yōu)于單個(gè)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(guò)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。
通過(guò)對不同距離的目標物進(jìn)行成像實(shí)驗，結果顯示：（1）對于5m處的目標物，超透鏡相機可以清楚分辨目標物的細節，而采用5.5mm口徑非球面透鏡的市售紅外相機則無(wú)法分辨該目標物的細節。（2）對于50m處的目標物，超透鏡相機仍然可以判斷目標物的有無(wú)。
研究人員對超透鏡還進(jìn)行了鍍增透膜的實(shí)驗，結果顯示，常規的長(cháng)波紅外增透膜可以將超透鏡的絕對透過(guò)率從鍍膜前的50%左右提升到鍍膜后的70%左右，并且經(jīng)過(guò)膜系優(yōu)化，鍍膜后的超透鏡的長(cháng)波紅外透過(guò)率有望達到80%以上。
此外，研究人員也對超透鏡的無(wú)熱化特性進(jìn)行了研究。結果顯示，超透鏡的聚焦特性可以在-60攝氏度至80攝氏度保持穩定，這對紅外成像具有重要的意義。
在與紅外焦平面適配時(shí)，超透鏡有兩種可能的工作模式：模式1：超透鏡允許寬譜光通過(guò)，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物的溫度分布。模式2：采用窄帶濾光片選擇性的通過(guò)一個(gè)窄譜段的光，此時(shí)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)量也相應得到提升。而這種模式也可以結合各種氣體的特征吸收譜段實(shí)現多光譜氣體成像。
對于模式1，研究人員用超透鏡相機進(jìn)行了成像測溫的實(shí)驗，并與FLIR的校準過(guò)的成像測溫儀進(jìn)行比對。結果顯示，經(jīng)過(guò)校準后的超透鏡相機可以在40攝氏度至240攝氏度的范圍內實(shí)現成像測溫，誤差不超過(guò)5%。
對于模式2，研究人員以六氟化硫（SF6）為目標氣體進(jìn)行了氣體泄漏檢測實(shí)驗。結果顯示，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。
總結：易飛課題組設計、制造、測試了5厘米口徑的全硅超透鏡，該超透鏡的厚度為0.5mm、重量為3.7g——顯著(zhù)低于市售的相同口徑非球面透鏡；研究了增透膜對超透鏡透過(guò)率的提升效果，并展示了超透鏡相機的兩個(gè)重要應用：溫度測量和氣體泄漏檢測。該項工作顯示了超透鏡在紅外成像領(lǐng)域的巨大應用潛力，為紅外成像設備的輕量化與小型化提供了一個(gè)可靠的技術(shù)路徑。
