ما هي البصريات بالأشعة تحت الحمراء؟

1) مقدمة في بصريات الأشعة تحت الحمراء

تُستخدم بصريات الأشعة تحت الحمراء لجمع أو تركيز أو موازنة الضوء في نطاق الطول الموجي بين 760 و14000 نانومتر. وينقسم هذا الجزء من الأشعة تحت الحمراء إلى أربعة نطاقات طيفية مختلفة:

نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR)	700 – 900 نانومتر
نطاق الأشعة تحت الحمراء قصير الموجة (SWIR)	900 – 2300 نانومتر
نطاق الأشعة تحت الحمراء متوسط الموجة (MWIR)	3000 – 5000 نانومتر
نطاق الأشعة تحت الحمراء طويل الموجة (LWIR)	8000 – 14000 نانومتر

2) الأشعة تحت الحمراء ذات الموجة القصيرة (SWIR)

تغطي تطبيقات SWIR النطاق من 900 إلى 2300 نانومتر. على عكس ضوء MWIR وLWIR المنبعث من الجسم نفسه، يشبه SWIR الضوء المرئي بمعنى أن الفوتونات تنعكس أو تمتص بواسطة الجسم، وبالتالي توفر التباين اللازم للتصوير عالي الدقة. تعتبر مصادر الضوء الطبيعية مثل ضوء البداية المحيط وإشعاع الخلفية (المعروف أيضًا باسم توهج الليل) بمثابة بواعث لـ SWIR وتوفر إضاءة ممتازة للتصوير الخارجي في الليل.

هناك عدد من التطبيقات التي يصعب تنفيذها أو يستحيل تنفيذها باستخدام الضوء المرئي، وهي ممكنة باستخدام SWIR. عند التصوير بتقنية SWIR، يكون بخار الماء ودخان النار والضباب وبعض المواد مثل السيليكون شفافة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن بسهولة تمييز الألوان التي تبدو متطابقة تقريبًا في الصورة المرئية باستخدام SWIR.

يتم استخدام تصوير SWIR لأغراض متعددة مثل فحص اللوحات الإلكترونية والخلايا الشمسية وفحص المنتجات وتحديدها وفرزها والمراقبة ومكافحة التزييف ومراقبة جودة العمليات والمزيد.

3) الأشعة تحت الحمراء متوسطة الموجة (MWIR)

تعمل أنظمة MWIR في نطاق 3 إلى 5 ميكرون. عند الاختيار بين أنظمة MWIR وLWIR، يتعين على المرء أن يأخذ عدة عوامل في الاعتبار. أولا، يجب أن تؤخذ في الاعتبار مكونات الغلاف الجوي المحلية مثل الرطوبة والضباب. أنظمة MWIR أقل تأثراً بالرطوبة من أنظمة LWIR، لذا فهي متفوقة في تطبيقات مثل المراقبة الساحلية أو مراقبة حركة السفن أو حماية الموانئ.

يتمتع MWIR بانتقال أكبر في الغلاف الجوي من LWIR في معظم المناخات. ولذلك، يُفضل MWIR عمومًا لتطبيقات المراقبة طويلة المدى جدًا التي تتجاوز مسافة 10 كيلومترات من الجسم.

علاوة على ذلك، يعد MWIR أيضًا خيارًا أفضل إذا كنت تريد اكتشاف الأجسام ذات درجة الحرارة المرتفعة مثل المركبات أو الطائرات أو الصواريخ. في الصورة أدناه يمكن للمرء أن يرى أن أعمدة العادم الساخنة تكون أكثر وضوحًا في MWIR منها في LWIR.

4) الأشعة تحت الحمراء طويلة الموجة (LWIR)

تعمل أنظمة LWIR في نطاق من 8 إلى 14 ميكرون. وهي مفضلة للتطبيقات ذات الأجسام القريبة من درجة حرارة الغرفة. تعتبر كاميرات LWIR أقل تأثراً بالشمس وبالتالي فهي أفضل للتشغيل في الهواء الطلق. وهي عادةً عبارة عن أنظمة غير مبردة تستخدم مقاييس ميكروبولومترية لصفيف المستوى البؤري، على الرغم من وجود كاميرات LWIR المبردة أيضًا وتستخدم كاشفات الزئبق والكادميوم تيلوريوم (MCT). في المقابل، تتطلب غالبية كاميرات MWIR التبريد، باستخدام النيتروجين السائل أو مبرد دورة Stirling.

تجد أنظمة LWIR عددًا كبيرًا من التطبيقات مثل فحص المباني والبنية التحتية واكتشاف العيوب واكتشاف الغاز والمزيد. لعبت كاميرات LWIR دورًا مهمًا خلال جائحة كوفيد-19 لأنها تسمح بقياس درجة حرارة الجسم بسرعة ودقة.

5) دليل اختيار ركائز الأشعة تحت الحمراء

تتمتع مواد الأشعة تحت الحمراء بخصائص مميزة تسمح لها بأداء جيد في طيف الأشعة تحت الحمراء. السيليكا المنصهرة بالأشعة تحت الحمراء، والجرمانيوم، والسيليكون، والياقوت، وكبريتيد الزنك/سيلينيد، تتمتع كل منها بنقاط قوة لتطبيقات الأشعة تحت الحمراء.

سيلينيد الزنك (ZnSe)

سيلينيد الزنك هو مركب صلب أصفر فاتح يتكون من الزنك والسيلينيوم. يتم تصنيعه عن طريق تخليق بخار الزنك وغاز H2 Se، ليتشكلا على شكل صفائح على ركيزة من الجرافيت. وهو معروف بمعدل امتصاصه المنخفض والذي يسمح باستخدامات ممتازة لليزر ثاني أكسيد الكربون.

نطاق الإرسال الأمثل	التطبيقات المثالية
0.6 - 16 ميكرومتر	ليزر ثاني أكسيد الكربون وقياس الحرارة والتحليل الطيفي والعدسات والنوافذ وأنظمة FLIR

الجرمانيوم (قه)

يتميز الجرمانيوم بمظهر دخاني رمادي داكن مع معامل انكسار يبلغ 4.024 مع تشتت بصري منخفض. تتميز بكثافة كبيرة مع صلابة نوب (كجم/مم2): 780.00 مما يسمح لها بأداء جيد للبصريات الميدانية في الظروف القاسية.

نطاق الإرسال الأمثل	التطبيقات المثالية
2 - 16 ميكرومتر	LWIR - التصوير الحراري MWIR (عند طلاء AR)، في المواقف البصرية القاسية

السيليكون (S)

يتميز السيليكون بمظهر أزرق رمادي مع قدرة حرارية عالية تجعله مثاليًا لمرايا الليزر ورقائق السيليكون لصناعة أشباه الموصلات. معامل انكساره 3.42. تستخدم مكونات السيليكون في الأجهزة الإلكترونية لأن تياراته الكهربائية يمكن أن تمر عبر موصلات السيليكون بشكل أسرع بكثير مقارنة بالموصلات الأخرى، فهو أقل كثافة من Ge أو ZnSe. يوصى باستخدام طلاء AR لمعظم التطبيقات.

نطاق الإرسال الأمثل	التطبيقات المثالية
1.2 - 8 ميكرومتر	MWIR، التصوير NIR، التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء، أنظمة الكشف MWIR

كبريتيد الزنك (ZnS)

يعد كبريتيد الزنك خيارًا ممتازًا لأجهزة استشعار الأشعة تحت الحمراء، فهو ينقل بشكل جيد في الأشعة تحت الحمراء والطيف المرئي. إنه عادةً خيار فعال من حيث التكلفة مقارنة بمواد الأشعة تحت الحمراء الأخرى.

نطاق الإرسال الأمثل	التطبيقات المثالية
0.6 - 18 ميكرومتر	LWIR - MWIR، أجهزة استشعار الأشعة تحت الحمراء المرئية والمتوسطة الموجة أو طويلة الموجة

يعتمد اختيارك للركيزة والطلاء المضاد للانعكاس على الطول الموجي الذي يتطلب نفاذية أولية في تطبيقك. على سبيل المثال، إذا كنت ترسل ضوء الأشعة تحت الحمراء في نطاق MWIR، فقد يكون الجرمانيوم خيارًا جيدًا. بالنسبة لتطبيقات NIR، قد يكون الياقوت مثاليًا.

المواصفات الأخرى التي قد ترغب في أخذها في الاعتبار عند اختيارك لبصريات الأشعة تحت الحمراء تشمل الخصائص الحرارية ومعامل الانكسار. تحدد الخصائص الحرارية للركيزة كيفية تفاعلها مع الحرارة. في كثير من الأحيان، سوف تتعرض العناصر البصرية بالأشعة تحت الحمراء لدرجات حرارة متفاوتة على نطاق واسع. تنتج بعض تطبيقات الأشعة تحت الحمراء أيضًا كمية كبيرة من الحرارة. لتحديد ما إذا كانت ركيزة الأشعة تحت الحمراء مناسبة لتطبيقك، ستحتاج إلى التحقق من مؤشر التدرج ومعامل التمدد الحراري (CTE). إذا كانت ركيزة معينة تحتوي على تدرج مؤشر مرتفع، فقد يكون لها أداء بصري دون المستوى الأمثل عند استخدامها في بيئة متقلبة حرارياً. إذا كان لديه CTE مرتفع، فقد يتوسع أو ينكمش بمعدل مرتفع نظرًا للتغير الكبير في درجة الحرارة. تختلف المواد المستخدمة غالبًا في بصريات الأشعة تحت الحمراء بشكل كبير في معامل الانكسار. الجرمانيوم، على سبيل المثال، لديه معامل انكسار قدره 4.0003، مقارنة بـ 1.413 لـ MgF. إن توفر الركائز مع هذا النطاق الواسع من معامل الانكسار يمنح مرونة إضافية في تصميم النظام. يقيس تشتت مادة الأشعة تحت الحمراء التغير في مؤشر الطول الموجي فيما يتعلق بطول الموجة وكذلك الانحراف اللوني، أو فصل الطول الموجي. يتم قياس التشتت بشكل عكسي باستخدام رقم آبي، والذي يتم تعريفه على أنه نسبة معامل الانكسار عند الطول الموجي d ناقص 1، على الفرق بين معامل الانكسار عند الخطين f وc. إذا كانت الركيزة تحتوي على رقم آبي أكبر من 55، فإنها تكون أقل تشتتًا ونسميها مادة التاج. تسمى الركائز الأكثر تشتتًا والتي يقل عدد آبي فيها عن 55 بمواد الصوان.

تطبيقات البصريات بالأشعة تحت الحمراء

تتمتع بصريات الأشعة تحت الحمراء بتطبيقات في العديد من المجالات، بدءًا من ليزر ثاني أكسيد الكربون عالي الطاقة، والذي يعمل عند 10.6 ميكرومتر، إلى كاميرات التصوير الحراري للرؤية الليلية (نطاقات MWIR وLWIR) والتصوير بالأشعة تحت الحمراء. كما أنها مهمة في التحليل الطيفي، حيث أن التحولات المستخدمة في تحديد العديد من الغازات النزرة تكون في منطقة الأشعة تحت الحمراء المتوسطة. نحن ننتج بصريات خط الليزر بالإضافة إلى مكونات الأشعة تحت الحمراء التي تعمل بشكل جيد على نطاق واسع من الطول الموجي، ويمكن لفريقنا ذو الخبرة تقديم الدعم الكامل والاستشارات في التصميم.

تستخدم Paralight Optics مجموعة من تقنيات المعالجة المتقدمة مثل Single Point Diamond Turning وتلميع CNC لإنتاج عدسات بصرية عالية الدقة من السيليكون والجرمانيوم وكبريتيد الزنك التي تجد تطبيقات في كاميرات MWIR وLWIR. نحن قادرون على تحقيق دقة أقل من 0.5 هامش PV وخشونة في نطاق أقل من 10 نانومتر.