Какво е инфрачервена оптика?

1) Въведение в инфрачервената оптика

Инфрачервената оптика се използва за събиране, фокусиране или колимиране на светлина в диапазона на дължината на вълната между 760 и 14 000 nm. Тази част от инфрачервеното лъчение е допълнително разделена на четири различни спектрални диапазона:

Близък инфрачервен обхват (NIR)	700 – 900 nm
Късовълнов инфрачервен обхват (SWIR)	900 – 2300 nm
Средно вълнов инфрачервен диапазон (MWIR)	3000 – 5000 nm
Дълговълнов инфрачервен обхват (LWIR)	8000 – 14000 nm

2) Късовълнов инфрачервен (SWIR)

Приложенията SWIR покриват обхвата от 900 до 2300 nm. За разлика от MWIR и LWIR светлината, която се излъчва от самия обект, SWIR прилича на видима светлина в смисъл, че фотоните се отразяват или абсорбират от обект, като по този начин осигуряват необходимия контраст за изображения с висока разделителна способност. Естествени източници на светлина, като околна начална светлина и фоново сияние (известен още като нощно сияние), са такива излъчватели на SWIR и осигуряват отлично осветление за изображения на открито през нощта.

Редица приложения, които са проблематични или невъзможни за изпълнение с помощта на видима светлина, са осъществими с помощта на SWIR. При изобразяване в SWIR водната пара, димът от огъня, мъглата и определени материали като силиций са прозрачни. Освен това цветовете, които изглеждат почти идентични във видимото, могат лесно да бъдат разграничени с помощта на SWIR.

SWIR изображенията се използват за множество цели като проверка на електронни платки и слънчеви клетки, проверка на продукцията, идентифициране и сортиране, наблюдение, борба с фалшифицирането, контрол на качеството на процеса и др.

3) Средно-вълнова инфрачервена връзка (MWIR)

MWIR системите работят в диапазона от 3 до 5 микрона. Когато избирате между MWIR и LWIR системи, трябва да вземете предвид няколко фактора. Първо, трябва да се вземат предвид местните атмосферни компоненти като влажност и мъгла. MWIR системите са по-малко засегнати от влажността от LWIR системите, така че те са по-добри за приложения като крайбрежно наблюдение, наблюдение на трафика на кораби или защита на пристанища.

MWIR има по-голямо атмосферно предаване от LWIR в повечето климатични условия. Следователно MWIR обикновено е за предпочитане за приложения за наблюдение на много големи разстояния, надвишаващи 10 km разстояние от обекта.

Освен това MWIR също е по-добър вариант, ако искате да откриете обекти с висока температура като превозни средства, самолети или ракети. На изображението по-долу може да се види, че горещите изгорели газове са значително по-видими в MWIR, отколкото в LWIR.

4) Дълговълнова инфрачервена връзка (LWIR)

LWIR системите работят в диапазона от 8 до 14 микрона. Те са предпочитани за приложения с обекти с близка до стайна температура. LWIR камерите са по-малко засегнати от слънцето и следователно са по-добри за работа на открито. Те обикновено са неохлаждани системи, използващи микроболометри с решетки с фокална равнина, въпреки че съществуват и охладени LWIR камери и те използват детектори с живачно-кадмиев телур (MCT). За разлика от това, по-голямата част от MWIR камерите изискват охлаждане, като се използва или течен азот, или охладител с цикъл на Стърлинг.

LWIR системите намират голям брой приложения като проверка на сгради и инфраструктура, откриване на дефекти, откриване на газ и др. LWIR камерите изиграха важна роля по време на пандемията от COVID-19, тъй като позволяват бързо и точно измерване на телесната температура.

5) Ръководство за избор на IR субстрати

IR материалите имат различни свойства, които им позволяват да се представят добре в инфрачервения спектър. IR стопен силициев диоксид, германий, силиций, сапфир и цинков сулфид/селенид, всеки има силни страни за инфрачервени приложения.

Цинков селенид (ZnSe)

Цинковият селенид е светложълто твърдо съединение, състоящо се от цинк и селен. Създаден е чрез синтез на цинкови пари и H2 Se газ, образуващи се като листове върху графитен субстрат. Известен е с ниската си степен на абсорбция и позволява отлична употреба на CO2 лазери.

Оптимален обхват на предаване	Идеални приложения
0,6 - 16 μm	CO2 лазери и термометрия и спектроскопия, лещи, прозорци и FLIR системи

Германий (Ge)

Германият има тъмносив опушен вид с индекс на пречупване 4,024 с ниска оптична дисперсия. Той има значителна плътност с твърдост по Knoop (kg/mm2): 780,00, което му позволява да се представя добре за полева оптика в тежки условия.

Оптимален обхват на предаване	Идеални приложения
2 - 16 μm	LWIR - MWIR Термично изображение (когато е с AR покритие), здрави оптични ситуации

Силиций (S)

Силицият има синьо-сив вид с висок топлинен капацитет, което го прави идеален за лазерни огледала и силициеви пластини за полупроводниковата индустрия. Той има индекс на пречупване 3,42. Силициевите компоненти се използват в електронни устройства, тъй като неговите електрически токове могат да преминават през силициевите проводници много по-бързо в сравнение с други проводници, той е по-малко плътен от Ge или ZnSe. AR покритието се препоръчва за повечето приложения.

Оптимален обхват на предаване	Идеални приложения
1,2 - 8μm	MWIR, NIR изображения, IR спектроскопия, MWIR системи за откриване

Цинков сулфид (ZnS)

Цинковият сулфид е отличен избор за инфрачервени сензори, той предава добре в инфрачервения и видимия спектър. Обикновено това е рентабилен избор пред други IR материали.

Оптимален обхват на предаване	Идеални приложения
0,6 - 18μm	LWIR - MWIR, видими и средновълнови или дълговълнови инфрачервени сензори

Вашият избор на субстрат и антирефлексно покритие ще зависи от това коя дължина на вълната изисква основна пропускливост във вашето приложение. Например, ако предавате инфрачервена светлина в диапазона MWIR, германият може да бъде добър избор. За NIR приложения сапфирът може да е идеален.

Други спецификации, които може да искате да вземете предвид при избора си на инфрачервена оптика, включват топлинни свойства и индекс на пречупване. Топлинните свойства на субстрата определят количествено как той реагира на топлина. Често инфрачервените оптични елементи ще бъдат изложени на широко вариращи температури. Някои IR приложения също произвеждат голямо количество топлина. За да определите дали инфрачервеният субстрат е подходящ за вашето приложение, трябва да проверите градиента на индекса и коефициента на топлинно разширение (CTE). Ако даден субстрат има висок градиент на индекса, той може да има неоптимални оптични характеристики, когато се използва в термично летлива среда. Ако има висок CTE, той може да се разширява или свива с висока скорост при голяма промяна в температурата. Материалите, които най-често се използват в инфрачервената оптика, варират значително в индекса на пречупване. Германият, например, има индекс на пречупване 4,0003, в сравнение с 1,413 за MgF. Наличието на субстрати с този широк диапазон от индекс на пречупване дава допълнителна гъвкавост при проектирането на системата. Дисперсията на инфрачервения материал измерва промяната в индекса на дължината на вълната по отношение на дължината на вълната, както и хроматичната аберация или разделянето на дължината на вълната. Дисперсията се определя количествено, обратно, с числото на Абе, което се определя като съотношение на индекса на пречупване при дължина на вълната d минус 1 към разликата между индекса на пречупване при f и c линиите. Ако даден субстрат има число на Абе по-голямо от 55, той е по-малко диспергивен и ние го наричаме материал за корона. По-диспергиращите субстрати с числа на Абе по-ниски от 55 се наричат кремъчни материали.

Приложения за инфрачервена оптика

Инфрачервената оптика има приложения в много области, от високомощни CO2 лазери, които работят при 10,6 μm, до камери за термично изображение за нощно виждане (MWIR и LWIR ленти) и инфрачервени изображения. Те също са важни в спектроскопията, тъй като преходите, използвани при идентифицирането на много следи от газове, са в средната инфрачервена област. Ние произвеждаме лазерна линейна оптика, както и инфрачервени компоненти, които работят добре в широк диапазон на дължина на вълната, а нашият опитен екип може да осигури пълна поддръжка и консултация при проектирането.

Paralight Optics използва набор от усъвършенствани техники за обработка, като едноточково струговане на диамант и CNC полиране, за да произвежда високопрецизни оптични лещи от силиций, германий и цинков сулфид, които намират приложение в MWIR и LWIR камери. Ние сме в състояние да постигнем точност от по-малко от 0,5 ивици PV и грапавост в диапазона от по-малко от 10 nm.