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研究人員開發出通過熱窗增強熱成像的涂料

文章來源：慧正資訊更新時間：2025-09-10 16:07:20

慧正資訊：萊斯大學一個科學團隊解決了熱成像領域一個長期存在的問題，使通過熱窗捕捉物體的清晰圖像成為可能。成像應用在一系列領域，例如安全、監視、工業研究和診斷，可以從研究結果中受益。

控制熱輻射發射和傳輸控制

一種可能的解決方案是在窗戶上涂上一層材料，抑制熱光射向相機，但這也會使窗戶變得不透明。為了解決這個問題，研究人員開發了一種涂料，它依靠工程不對稱性來過濾掉熱窗的熱噪聲，與傳統方法相比，熱成像的對比度提高了一倍。

“假設你想使用熱成像來監測高溫反應室中的化學反應，你將面臨的問題是窗戶本身發出的熱輻射淹沒了攝像頭，遮擋了另一側物體的視野。”萊斯大學電氣和計算機工程副教授、該研究的通訊作者Gururaj Naik說。

這一突破的核心在于納米級諧振器的設計，其功能就像微型音叉一樣，可以捕獲和增強特定頻率內的電磁波。諧振器由硅制成，排列成精確的陣列，可以很好地控制窗口發射和傳遞熱輻射的方式。

“對我們來說，一個有趣的問題是，是否有可能抑制窗口向相機發射的熱輻射，同時保持待可視化物體側面的良好傳輸，”Naik說。

“信息論規定，在任何被動系統中，答案都是‘不’。然而，實際上有一個漏洞——相機在有限的帶寬下運行。我們利用了這個漏洞，創造了一種涂料，可以在寬頻帶內抑制窗戶向相機的熱發射，但只會在窄帶內減少成像物體的透射。 ”

抑制熱發射涂料

這是通過設計一種超材料來實現的，該超材料由兩層不同類型的諧振器組成，并由間隔層隔開。該設計使涂料能夠抑制朝向相機的熱輻射，同時保持足夠的透明度，以捕獲來自窗戶后面物體的熱輻射。

“我們對這個問題的解決方案受到了量子力學和非厄米光學的啟發，”萊斯大學工程博士生、該研究的第一作者Ciril Samuel Prasad說。

結果是革命性的非對稱元窗口能夠在高達873°K（約600°C）的溫度下形成清晰的熱成像。

水仙效應

這一突破的意義重大。一種直接的應用是化學加工，其中監測高溫室內的反應至關重要。

除了工業用途之外，這種方法還可能通過解決長期存在的“水仙效應”（相機本身的熱發射干擾成像）來徹底改變高光譜熱成像。研究人員設想在節能、輻射冷卻甚至國防系統中的應用，其中精確的熱成像是必不可少的。

“這是一項顛覆性創新，”研究人員指出。 “我們不僅解決了長期存在的問題，而且為極端條件下的成像打開了新的大門。使用超表面和諧振器作為設計工具可能會改變熱成像以外的許多領域，從能量收集到先進的傳感技術。

美國陸軍研究實驗室的高級科學家、萊斯大學的兼職教授亨利·埃弗里特（Henry Everitt）也是該研究的作者之一。該研究得到了美國陸軍研究辦公室的支持，合作協議編號為W911NF2120031。

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