麻省理工學院 (MIT) 的研究人員開發出一款新型晶片，能使紅外線攝影機變得更加小型化、智慧化及多功能，並可在不使用可動部件的情況下調整捕捉紅外光的方式。這項技術將改善熱成像、氣體洩漏檢測、污染監測以及未來的光學計算系統。該設備作為一個可編程的紅外透鏡，建於半導體晶片上。與依賴笨重機械部件來改變焦距的傳統紅外系統不同，這一新設計可以在微觀像素層面上電子控制光線。
每個像素均可獨立改變其與進入的中紅外光的互動方式，從而使透鏡能夠動態調整其光學特性，幫助攝影機從同一場景中收集不同類型的信息。
新型紅外線攝影技術將推動多種應用的發展
研究人員利用半導體晶片製造中常見的製造工藝，建立了一個實驗室規模的原型，這表明該設計最終可以以工業規模生產。系統結合了一種相變材料和類似於顯示技術中使用的交叉導線網絡。在導線的交叉點，通過摻雜的硅產生的熱量使材料的小區域在晶體狀態和非晶狀態之間切換。這些變化改變了每個像素操控紅外光的方式。以往的可編程超表面一般是一次性控制整個透鏡，或者需要為每個像素進行複雜的布線，使得大規模設計變得困難。
新的交叉架構通過實現二維像素級控制，同時減少不必要的電氣幹擾，解決了這一挑戰。
麻省理工學院材料科學與工程教授胡珏君表示：「我們進行了一些計算，顯示這種架構使我們能夠擴展到潛在的數百萬個像素，而不會出現任何 [意外] 電流問題。關鍵創新是這種交叉架構，創造了一種可擴展的方式來增加超表面的像素級切換。我們並未發明這種架構，它已經在顯示器中使用，但這是首次有人將其用於主動相變超表面，以展示可以實現像素級控制。」研究團隊製作了 6 乘 6 的超表面像素陣列，並發現該陣列能夠在不失去功能的情況下反覆切換狀態。
研究人員表示，這項技術可支持從環境監測到國防等多種應用。中紅外光特別有用，因為許多氣體和有機分子在此波長範圍內吸收光，這使其在檢測如甲烷和丙烷等化學物質方面具有重要價值。首位作者科斯敏·康斯坦丁·波佩斯庫表示：「這可以在我們研究太空時提供更多信息，或幫助環境保護，監測大氣中的特定化合物。」他還指出，熱成像是另一個應用，並且可以想到軍事應用，例如目前使用的夜視鏡。」
團隊還相信，可編程超表面最終能支持光學計算，即使用光來執行計算，而不是傳統的電子電路。胡教授表示，未來版本可以根據用户希望檢測的內容，配置以突出特定物體或圖案。研究人員現在正在努力增加像素數量，並改善設備的耐用性，以便在保持與半導體製造兼容的同時，捕捉更多詳細的紅外信息。該研究已發表在《自然通訊》期刊上。