Компактный адаптивный спектральный изображатель, реализованный с помощью MEMS‑фильтра Фабри‑Перо в длинноволновом инфракрасном диапазоне

Острее зрение для тепла

Многие объекты в нашем мире излучают невидимый тепловой свет — от автомобильных двигателей до фабричных труб. В этой статье представлен новый тип камеры, который способен «видеть» это тепло с детальной, похожей на цвет, точностью, оставаясь при этом достаточно маленьким и легким, чтобы устанавливать его на дроне. Такой прибор может помогать в выявлении загрязнений, поиске скрытых объектов и удаленном изучении горных пород или химических веществ.

Почему важны тепловые «цвета»

Обычные тепловизоры превращают невидимое тепло в изображения, показывающие горячие и холодные области, но обычно они сводят многие тепловые «цвета» в одну массу. Спектральная съемка в длинноволновом инфракрасном диапазоне идет дальше, разделяя тепловое излучение на множество узких полос, подобно тому как белый свет разбивается в радугу. Разные газы, жидкости и твердые вещества имеют характерные спектральные узоры в этих диапазонах, поэтому их запись позволяет отличать материалы, измерять загрязнения и распознавать объекты даже ночью или в тумане. Существующие инструменты, способные делать это качественно, как правило, большие, тяжелые и опираются на механическое сканирование, что замедляет их работу и ограничивает области применения.

Крошечный чип в сердце камеры

Авторы решали эту проблему, сосредоточив основу камеры вокруг специального чипа — MEMS‑фильтра Фабри‑Перо. Внутри этого чипа две крошечные зеркальные пластины обращены друг к другу, образуя узкую резонаторную полость для света. Регулируя положение одного из зеркал с помощью электромагнитных сил на наномасштабе, чип пропускает в каждый момент только выбранный фрагмент инфракрасного спектра. Ранее команда показала, что их чип работает в диапазоне 8–12 микрометров, где сосредоточены многие важные тепловые «отпечатки», и что отклик чипа плавно и предсказуемо меняется с подаваемым электрическим током. В этой работе они упаковывают чип в прочный модуль и демонстрируют, что он способен проходить по длинам волн в разных режимах — от грубых шагов до тонких сканов или мгновенных переключений на заранее заданные полосы.

Создание компактной камеры тепловых «цветов»

Используя настраиваемый фильтр, авторы разработали полноценную систему изображения, названную компактным адаптивным спектральным изображателем (CASI). Чип располагают перед объективом, так что входящий свет сначала проходит через фильтр, а затем попадает на небольшой неохлаждаемый инфракрасный детектор. Такая компоновка сохраняет лучи, попадающие в фильтр, почти нормальными к его поверхности, что уменьшает нежелательные сдвиги выбранной длины волны и упрощает замену модуля. Готовое устройство примерно по размеру и весу напоминает небольшой кирпич и значительно компактнее коммерческих систем с аналогичным покрытием. Легкий управляющий компьютер синхронизирует работу фильтра и камеры, выбирает, какие тепловые «цвета» и когда записывать, и формирует трехмерный блок данных, в котором каждый срез — это изображение в конкретной полосе.

Позволяя камере адаптироваться к задаче

Ключевая сила CASI в том, что ей не всегда требуется снимать полный плотный набор тепловых полос. При изучении новой сцены система может сначала выполнить медленный тонкий скан для получения подробной информации. Из этого богатого набора данных программное обеспечение выделяет полосы, которые лучше всего отделяют цели от окружения. Позже контроллер может отдавать команду чипу использовать только эти выбранные каналы, уменьшая число снимков и ускоряя съемку. Авторы демонстрируют эту идею на примере автомобилей на открытом поле. При полном сканировании они измеряют, как тепловые «цвета» машин отличаются от неба и растительности. Затем с помощью математического метода отбора выбирают несколько полезных полос и программируют CASI на запись только их, получая компактный блок данных, который при этом сохраняет необходимую контрастность.

Более эффективное обнаружение скрытых целей

Далее команда связывает этот адаптивный подход со стандартным методом обнаружения целей. В сцене с реальными и ложными автомобилями обычная цветная фотография затрудняет различение настоящих и фальшивых. Используя только выбранные инфракрасные полосы, CASI формирует компактный спектральный набор данных той же сцены. Затем алгоритм обнаружения ищет пиксели, чьи спектральные тепловые подписи выделяются на фоне окружения, и помечает их как вероятные цели. Результаты показывают, что система может с высокой точностью правильно выделять реальные автомобили, работая при этом с меньшим числом полос, чем при полном гиперспектральном сканировании. Это демонстрирует, что разумный выбор полос в сочетании с гибким аппаратным обеспечением позволяет сократить объем данных и время без потери эффективности обнаружения.

Какие перспективы открываются

Проще говоря, исследование показывает, как уменьшить громоздкую лабораторную камеру для спектральной тепловой съемки до компактного блока, который может менять способ наблюдения в реальном времени. Настраивая крошечный подвижный зеркальный чип и координируя его с небольшим детектором, система CASI может переключаться между детальным исследованием и быстрым поиском и сосредотачиваться только на наиболее информативных тепловых полосах для конкретной задачи. Хотя ее чувствительность пока уступает более крупным охлаждаемым приборам, авторы видят очевидные пути для улучшения. При дальнейшем совершенствовании оптики и встроенного ПО такие адаптивные инфракрасные изображатели могут стать повседневным инструментом для мониторинга загрязнений, разведки полезных ископаемых и проведения охранных и поисково‑спасательных операций с дронов и других компактных платформ.

Цитирование: Zhou, K., Wang, X., Tong, G. et al. Compact adaptive spectral imager enabled by MEMS Fabry-Perot filtering chip in longwave infrared. Microsyst Nanoeng 12, 207 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01300-6

Ключевые слова: инфракрасная съемка, спектральная съемка, MEMS‑фильтр, дистанционное зондирование, обнаружение целей