由 MEMS 法布里–珀罗过滤芯片实现的长波红外紧凑自适应光谱成像仪

为热成像配备更锐利的“眼睛”

我们周围的许多物体都会以不可见的热光辐射出能量，从汽车发动机到工厂烟囱不等。本文介绍了一种新型相机，能够以类似颜色的细节观察这些热辐射，同时体积轻巧到足以挂载在无人机上。这类工具可用于发现污染源、搜寻隐蔽目标，或从远处研究岩石与化学物质。

为什么“热的颜色”很重要

普通的热像仪将不可见的热辐射转换为显示冷热区域的图像，但通常会将许多热“颜色”合并在一起。长波红外光谱成像则更进一步，将热辐射分解为许多窄波段，有点像把白光分成彩虹。不同的气体、液体和固体在这些波段上有各自独特的谱型，记录这些谱型可以让科学家区分材料、测量污染，并在夜间或雾中识别目标。现有能很好完成这些任务的仪器通常体积大、重量重，并依赖缓慢扫描的运动部件，限制了它们的使用场景与方式。

位于相机核心的一枚微小芯片

研究人员通过将相机核心构建在一种称为 MEMS 法布里–珀罗过滤器的特殊芯片上来解决这一问题。在该芯片内，两块微小镜面对置，形成一个狭窄的光腔。通过电磁力将一块镜面微小移动，芯片在任一时刻只允许红外光谱的某一片段透过。团队此前已展示该芯片在 8 至 12 微米范围内工作良好，该范围包含许多重要的热指纹，并且其响应随电流变化平滑且可预测。在本工作中，他们将芯片封装成坚固模块，并演示了它可按不同模式扫过波长——从粗步进到精细扫描，或跳到任意预设的波段组。

构建紧凑的“热颜色”相机

利用这一可调过滤器，作者设计了一整套成像系统，称为紧凑自适应光谱成像仪（CASI）。他们将芯片置于镜头前面，使入射光先通过过滤器再到达小型非制冷红外探测器。这种布局使进入过滤器的光几乎垂直入射，从而减少所选波长的非期望漂移，并便于模块的更换。成品单元约为一块小砖的尺寸和重量，明显小于提供类似覆盖范围的商用系统。一个轻量的控制计算机协调过滤器与相机时序，决定记录哪些热颜色以及何时记录，并构建一个三维数据块，其中每一层都是不同热波段的图像。

让相机根据任务自适应

CASI 的一个关键优势在于它不总是需要采集完整的密集热色堆栈。在研究新场景时，系统可先进行一次慢速且精细的扫描以捕获详细信息。从这些丰富数据中，软件可以挑选出最能将目标与背景区分开的波段。随后，控制器可命令芯片仅使用那些选定通道，从而减少成像张数并加快采集速度。作者在户外试验中以车辆为例演示了这一思路。通过完整扫描，他们测量了汽车与天空及植被在热色谱上的差异；然后使用数学选择方法挑出少数有用波段，并将 CASI 编程为仅记录这些波段，生成体积更小但仍保留所需对比度的数据块。

更高效地发现隐藏目标

团队随后将这种自适应方法与标准的目标检测方法结合。在含有真车与诱饵车辆的场景中，普通可见光照片难以区分哪些是真正目标。CASI 仅使用所选红外波段构建了同一视野的紧凑光谱数据集。检测算法随后寻找在热色图谱上与周围显著不同的像素并将其标记为可能目标。结果显示，该系统能够在仅用比完整高光谱扫描更少波段的情况下，高精度地识别真实车辆。这表明，精心选择波段并配合灵活的硬件，可以在不牺牲检测性能的前提下减少数据量与采集时间。

展望

简言之，这项研究展示了如何将笨重的实验室级热光谱相机缩小为一个可随时改变观测策略的紧凑盒子。通过调谐微小活动镜片芯片并将其与小型探测器协调，CASI 系统可以在细致研究与快速搜索之间切换，并针对特定任务聚焦最具判别力的热波段。尽管其灵敏度仍落后于更大的制冷仪器，作者指出了明确的改进路径。随着光学与机载软件的进一步优化，这类自适应红外成像仪有望成为监测污染、勘测矿产以及在无人机等小型平台上执行安全与搜救任务的常用工具。

引用: 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

关键词: 红外成像, 光谱成像, MEMS 过滤器, 遥感, 目标检测