来自莱斯大学的一组研究人员解决了热成像中的一个长期挑战，使得能够捕捉通过温暖窗户看到的物体的清晰图像。他们的研究成果发表在期刊《通讯工程》中，可能在安全、监视和工业诊断等多个领域具有重要应用。
“想象一下想用热成像观察非常热的反应器腔室内的化学反应，”莱斯大学电气和计算机工程副教授、研究的主要作者古鲁拉杰·奈克解释道。“你会遇到的问题是窗户自身发出的热辐射会淹没相机看见窗户后面物体的能力。”
解决这个问题的一种方式可能是用一种材料涂覆窗户，以减少向相机发出的热光，但这会使窗户变得不透明。为了规避这个挑战，团队设计了一种涂层巧妙地利用工程不对称性来过滤热干扰，从而使热成像的对比度是现有技术的两倍。
这一创新的基础在于创建纳米级谐振器，它们像微小的音叉一样，在特定频率下捕捉和放大电磁波。这些谐振器由硅制成，并以精确的阵列排列，使得能够对窗户的热辐射特性进行微调控制。
“我们很好奇能否在确保被观察物体的传输仍然强劲的同时，减少窗户朝向相机的热辐射，”奈克表示。“虽然信息理论表明在被动系统中这并不可行，但我们发现了一种解决方法。相机工作在有限的带宽内，使我们能够创建一种涂层，抑制朝向相机的热辐射，同时仅在狭窄的光谱中减少来自所观察物体的传输。”
这一成就是通过制作一种由两种不同层的谐振器和一个间隔层分开的超材料实现的。这种创新设计允许涂层在尽可能减少面向相机的热辐射的同时，保持足够的透明度以检测位于窗户后面物体的热辐射。
“我们的方法汲取了量子力学和非厄米光学的灵感，”莱斯大学的博士工程毕业生、研究的主要作者西里尔·塞缪尔·普拉萨德说道。
最终成果是一个突破性的非对称超窗口，能够在高达873 K（约600 °C）的温度下提供清晰的热图像。
这一进展的潜在影响是相当大的。一个直接的应用是在化学加工行业，在高温环境中监测反应是至关重要的。此外，这项技术可能改变高光谱热成像，通过缓解持续存在的“水仙效应”，该效应源于相机自身的热辐射干扰成像。研究人员预计在提高能源效率、辐射冷却，甚至在精确热成像至关重要的防御行动中都有应用。
“这代表了一项突破性的创新，”研究人员强调。“我们不仅解决了一个历史性问题，还为在极端条件下的新成像可能性铺平了道路。我们对超表面和谐振器的设计框架的使用可能会影响热成像之外的多个领域，从能源收集到先进传感技术。”
美国陆军研究实验室的高级科学家亨利·埃弗里特和莱斯大学的兼职教师也列为该研究的共同作者。
该研究获得了美国陆军研究办公室的资助，合作协议编号为W911NF2120031。
