紅外熱成像廣泛應(yīng)用于國防、安全監(jiān)控、火災(zāi)探測、行星科學(xué)研究、輔助駕駛、醫(yī)學(xué)熱成像以及其他相關(guān)領(lǐng)域。然而，紅外相機(jī)鏡頭通常采用昂貴或受限的材料制造，例如鍺（Ge）、硅（Si）或硫系玻璃。此外，這些無機(jī)鏡頭通常通過低效率的銑削工藝加工而成，且難以修復(fù)或回收。因此，亟需能夠滿足大規(guī)模生產(chǎn)的低成本、可持續(xù)鏡頭材料。
由廣泛可獲得的單質(zhì)硫制備的硫基聚合物因具有較高折射率，并在中波紅外（MWIR）和長波紅外（LWIR）波段具有良好透過性，被認(rèn)為是很有前景的候選材料。然而，目前報(bào)道的大多數(shù)此類聚合物在長波紅外透過率以及保持形狀穩(wěn)定所需的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度方面仍存在不足。近期，美國亞利桑那大學(xué)（University of Arizona）的Jeffrey Pyun教授基于理論分析預(yù)測，一種含有硫化降冰片烷微結(jié)構(gòu)的聚合物有望解決上述問題。然而，由于以往合成過程中存在復(fù)雜的副反應(yīng)，這種聚合物尚未被成功制備。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，澳大利亞弗林德斯大學(xué)（Flinders University）的研究人員克服了上述挑戰(zhàn)，首次制備出含有硫化降冰片烷微結(jié)構(gòu)的聚合物，并開發(fā)出一種可修復(fù)紅外鏡頭，使得紅外熱成像相機(jī)因跌落損壞后需要更換昂貴鏡頭的時(shí)代有望成為過去。這種由弗林德斯大學(xué)研究人員研發(fā)的高性能紅外相機(jī)鏡頭，正逐漸成為一種成本更低、更加可持續(xù)的替代方案。其研究成果以“Thermal imaging using sulfur polymer optics”為題發(fā)表于Nature Communications期刊。
弗林德斯大學(xué)的Chalker實(shí)驗(yàn)室中，Samuel Tonkin博士（左）與Harshal Patel博士（右）展示用于制造紅外熱成像鏡頭的低成本有機(jī)原材料。
更低成本、更可持續(xù)的材料替代鍺
這種新型紅外熱成像鏡頭由易獲取且低成本的硫以及其他材料制成，根據(jù)發(fā)表在Nature Communications上的最新研究成果，它可替代傳統(tǒng)鏡頭中所使用的昂貴材料（如硅和難以獲取的鍺）。
紅外熱成像相機(jī)通過探測高溫物體發(fā)出的紅外輻射工作，正在越來越多的實(shí)際應(yīng)用和先進(jìn)技術(shù)中得到推廣——從火災(zāi)探測、野生動(dòng)物監(jiān)測，到汽車輔助駕駛或自動(dòng)駕駛功能，再到節(jié)能型智能家電。
項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、論文作者Justin Chalker教授（弗林德斯大學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院）表示：“隨著消費(fèi)類產(chǎn)品對紅外熱成像需求的增長，對低成本光學(xué)器件的需求也在增加。我們的聚合物鏡頭為鍺、硅或硫系玻璃等昂貴無機(jī)材料提供了一種更加可持續(xù)的替代方案。”
用低成本有機(jī)原材料制造紅外熱成像鏡頭
這種新型聚合物可以像塑料一樣進(jìn)行模制成型——這一特性對規(guī)模化生產(chǎn)至關(guān)重要。材料主要由豐富且低成本的元素硫以及一種有機(jī)共聚單體構(gòu)成。Chalker教授指出，每年都會(huì)產(chǎn)生數(shù)百萬噸過剩硫資源，研究目標(biāo)是將這種豐富的石油精煉副產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為高附加值材料和可持續(xù)技術(shù)。
Chalker教授表示：“一些傳統(tǒng)鍺鏡頭價(jià)格高達(dá)數(shù)百甚至數(shù)千美元，而且一旦損壞無法修復(fù)。相比之下，我們的聚合物鏡頭采用的材料成本低得多。此外，我們的聚合物鏡頭可以像塑料一樣快速模制生產(chǎn)，適合大規(guī)模制造，同時(shí)還可以修復(fù)和回收。事實(shí)上，這種鏡頭所用原材料的成本每個(gè)單元甚至不到1美分，因此它為紅外熱成像相機(jī)和傳感器市場提供了一種極具成本優(yōu)勢和競爭力的替代方案。”
制備的新型聚合物鏡頭及其LWIR熱成像性能
從實(shí)驗(yàn)室到日常應(yīng)用
論文的第一作者Samuel Tonkin博士表示，新型聚合物鏡頭的最新進(jìn)展將擴(kuò)大其在消費(fèi)類產(chǎn)品中的吸引力和應(yīng)用范圍，例如：智能手機(jī)紅外相機(jī)、火災(zāi)探測器、夜間行人和動(dòng)物檢測的輔助駕駛系統(tǒng)、依賴紅外熱成像的節(jié)能空調(diào)設(shè)備。
Tonkin博士（弗林德斯大學(xué)Chalker課題組博士畢業(yè)生）表示：“隨著紅外熱成像在消費(fèi)電子產(chǎn)品中的普及，對低成本光學(xué)元件的需求不斷增加。這項(xiàng)開創(chuàng)性的技術(shù)通過低成本、可持續(xù)、可修復(fù)和可回收等特點(diǎn)解決了這一挑戰(zhàn)。”
他還指出：“與鍺等昂貴材料相比，這些鏡頭的制造速度更快。鍺鏡頭通常需要復(fù)雜的機(jī)械加工工藝，而且損壞后無法修復(fù)。當(dāng)我們第一次把鏡頭安裝到紅外熱成像相機(jī)上并獲得圖像時(shí)，看到研究成果不斷擴(kuò)展應(yīng)用領(lǐng)域令人非常興奮。”
與NASA合作及未來潛力
研究團(tuán)隊(duì)（包括弗林德斯大學(xué)的共同作者Harshal Patel博士）正與NASA的合作者（包括另外一位共同作者Tilak Hewagama博士）開展合作，以推動(dòng)該聚合物鏡頭在行星科學(xué)成像領(lǐng)域的應(yīng)用。
Patel博士表示：“這項(xiàng)研究使這類聚合物材料的性能實(shí)現(xiàn)了又一次重要提升。一旦這些成像系統(tǒng)的價(jià)格達(dá)到消費(fèi)級(jí)水平，它們可能會(huì)廣泛應(yīng)用于火災(zāi)探測系統(tǒng)、智能家電和其他技術(shù)領(lǐng)域。我個(gè)人也會(huì)用它們來尋找野生動(dòng)物。”
https://doi.org/10.1038/s41467-026-68889-0
