（a）微透镜所需的理想连续相剖面（λ = 4.25 μm，f = 9 μm，n = 2.7），可被球面透镜准确复制;（b）由排列为1 μm间距的超原子离散采样，如图所示，单层平面金属中具有不同直径。所得的电场强度（|E|）轮廓分别在球面透镜和金属透镜的（d）中显示，金属透镜相比球面透镜的对焦效率较低。图片来源：电子材料杂志（2025年）。DOI：10.1007/s11664-025-12115-y

研究人员通过利用元光学系统的聚焦能力，开发出一种高度灵敏的方法来检测环境中的热点，如丛林火灾或军事威胁。

该方法的关键在于创新透镜技术，其比人发还细，能够以极大效率收集和处理来自火灾及其他热源的红外辐射。关键是，它不需要像电流传感器那样的低温冷却。

该项目首席研究员图奥马斯·哈格伦博士表示，其成果是传感器技术有望提升民用和军用领域的设备水平。

“这是一种优雅的工程设计，具有现实世界的回报：一层单层，表现得像数百万个微小透镜，规模化制造，”澳大利亚国立大学和ARC变革性超光学系统卓越中心（TMOS）研究员哈格伦博士说。

“它直接提升了社区依赖的摄像头。”

团队提出，他们的技术可以通过将传感器安装在电信网络基站上，实现丛林火灾的持续监测。

西澳大学（UWA）及TMOS研究员潘文武博士表示：“火灾探测技术具有国家重要性，我们的解决方案弥补了可扩展且具成本效益的丛林火灾检测的关键空白。”

“同样的进步使得能够实现紧凑、低功耗的传感器，在防御平台上提供360度态势感知。”

传感器工作在3至5微米的波长，称为中波红外（MWIR），昼夜都能获得良好的可见度，并结合良好的热对比度以识别热源。

然而，提升中波红外相机锐利度的努力遇到了制造和性能的限制。首先，随着像素变小，光线在像素间溢出导致图像模糊变得更困难。

ARC变革性元光学系统卓越中心（TMOS）的研究人员正在探索利用先进元光学传感器实现360度丛林火灾探测的概念。设想中的系统将在现有电信基站上安装中红外元曲面探测器，以实现室温下的持续远程热点监测。通过通过用微观金属簇阵列聚焦热源，该方法旨在实现高灵敏度、低功耗的监测，从而改变早期野火预警和环境监测。图片来源：西澳大学潘文武博士

其次，使用较大的探测器收集更多光存在噪声问题：探测器的工作原理与太阳能电池相同，通过PN结将光转换为电信号。但PN结不断产生低水平信号，称为暗电流：收集面积增加会产生更多噪声。

这种暗电流可以通过低温冷却来减少，但这对现场或远程使用来说并不理想，因为会增加成本并显著降低实用性。

相反，团队想出了可以聚焦光线，这样可以被更小的探测器收集，从而减少暗电流。更好的是，如果使用多层透镜阵列——每个像素一个——每个像素可以更小，并且与邻像素分离，从而减少溢出效应。

“该系统整合了三大关键进步——中波红外感应，实现全天候远程探测;无需低温冷却，实现低功耗和高可靠性;以及实时数据以加快响应速度，“西澳大学和TMOS的副教授Gilberto Umana-Membreno说。

但如何制造成千上万个微小的镜头来实现这个想法呢？答案是使用超表面，即覆盖着比光波长更小的纳米形状阵列的表面，能够产生天然材料无法实现的惊人效果。

“这些平坦金属元件使我们能够将光刻晶圆级光学元件直接引入探测器堆栈——这是一种实用的提升性能方式，”副教授吉尔伯托·乌马纳-门布雷诺说。

团队利用电磁建模设计了一个平坦的超曲面，将中红外光集中到每个探测器像素上，提高灵敏度并减少噪声。该设计详见《电子材料杂志》。

文武博士表示，通过模拟测试了多种纳米柱设计以优化光聚焦效率，显示出极大潜力，能提高精度并减少损耗。“通过图案化平整的单层薄膜，我们能在需要的地方集中更多光线。”

新设计有望广泛影响——除了热量探测外，红外传感器还被用于遥感、夜视、环境监测、国家安全、国防、气象、天文学、光谱学和医学成像。

除了简单的聚焦外，金属光元件还可以设计用于执行高级光学处理，通过根据偏振、相位或波长分离和控不同的光成分。

“该项目高度符合多种资助资格，并将支持可扩展的推广。”副教授吉尔伯托·乌马纳-门布雷诺表示。“这里有重要的商业机会。”

更多信息：Wenwu Pan 等，《Metalens阵列设计与模拟以提升MWIR成像阵列性能》，《电子材料杂志》（2025年）。DOI：10.1007/s11664-025-12115-y

由ARC变革性超光学系统卓越中心提供