1) Introducció a l'òptica infraroja
L'òptica infraroja s'utilitza per recollir, enfocar o col·limar la llum en el rang de longitud d'ona entre 760 i 14.000 nm. Aquesta part de la radiació IR es divideix a més en quatre rangs espectrals diferents:
| Interval d'infrarojos propers (NIR) | 700 – 900 nm |
| Interval d'infrarojos d'ona curta (SWIR) | 900 – 2300 nm |
| Interval d'infrarojos d'ona mitjana (MWIR) | 3000 – 5000 nm |
| Interval d'infrarojos d'ona llarga (LWIR) | 8000 – 14000 nm |
2) Infrarojos d'ona curta (SWIR)
Les aplicacions SWIR cobreixen el rang de 900 a 2300 nm. A diferència de la llum MWIR i LWIR que s'emet des del propi objecte, SWIR s'assembla a la llum visible en el sentit que els fotons són reflectits o absorbits per un objecte, proporcionant així el contrast necessari per a la imatge d'alta resolució. Les fonts de llum natural, com ara la llum d'inici ambiental i la resplendor de fons (també conegut com a resplendor nocturn) són aquests emissors de SWIR i ofereixen una il·luminació excel·lent per a la imatge exterior a la nit.
Una sèrie d'aplicacions que són problemàtiques o impossibles de realitzar amb llum visible són factibles mitjançant SWIR. Quan es fa imatges en SWIR, el vapor d'aigua, el fum del foc, la boira i determinats materials com el silici són transparents. A més, els colors que semblen gairebé idèntics en el visible es poden diferenciar fàcilment mitjançant SWIR.
La imatge SWIR s'utilitza per a múltiples finalitats, com ara la inspecció de plaques electròniques i cèl·lules solars, inspecció de productes, identificació i classificació, vigilància, lluita contra la falsificació, control de qualitat del procés i molt més.
3) Infrarojos d'ona mitjana (MWIR)
Els sistemes MWIR funcionen en el rang de 3 a 5 micres. A l'hora de decidir entre sistemes MWIR i LWIR, cal tenir en compte diversos factors. En primer lloc, cal tenir en compte els components atmosfèrics locals com la humitat i la boira. Els sistemes MWIR es veuen menys afectats per la humitat que els sistemes LWIR, de manera que són superiors per a aplicacions com la vigilància costanera, la vigilància del trànsit de vaixells o la protecció del port.
MWIR té una transmissió atmosfèrica més gran que LWIR a la majoria de climes. Per tant, MWIR és generalment preferible per a aplicacions de vigilància de molt llarg abast que superin els 10 km de distància de l'objecte.
A més, MWIR també és una millor opció si voleu detectar objectes d'alta temperatura com ara vehicles, avions o míssils. A la imatge següent es pot veure que els plomalls d'escapament calents són significativament més visibles al MWIR que al LWIR.
4) Infrarojos d'ona llarga (LWIR)
Els sistemes LWIR funcionen en el rang de 8 a 14 micres. Es prefereixen per a aplicacions amb objectes a temperatura ambient a prop. Les càmeres LWIR es veuen menys afectades pel sol i, per tant, millor per al funcionament a l'aire lliure. Normalment són sistemes sense refrigerar que utilitzen microbolòmetres de pla focal, encara que també existeixen càmeres LWIR refrigerades i utilitzen detectors de mercuri cadmi tel·lúri (MCT). En canvi, la majoria de càmeres MWIR requereixen refrigeració, utilitzant nitrogen líquid o un refrigerador de cicle Stirling.
Els sistemes LWIR troben un ampli nombre d'aplicacions com ara inspecció d'edificis i infraestructures, detecció de defectes, detecció de gas i molt més. Les càmeres LWIR han tingut un paper important durant la pandèmia de la COVID-19, ja que permeten mesurar la temperatura corporal de manera ràpida i precisa.
5) Guia de selecció de substrats IR
Els materials IR tenen propietats diferents que els permeten funcionar bé en l'espectre infrarojo. Sílice fosa IR, germani, silici, safir i sulfur/selenur de zinc, cadascun té punts forts per a aplicacions d'infrarojos.
Selenur de zinc (ZnSe)
El seleniur de zinc és un compost sòlid de color groc clar que inclou zinc i seleni. Es crea per síntesi de vapor de zinc i gas H2 Se, formant-se com a làmines sobre un substrat de grafit. És conegut per la seva baixa taxa d'absorció i que permet uns usos excel·lents per als làsers de CO2.
| Interval de transmissió òptim | Aplicacions ideals |
| 0,6 - 16 μm | Làsers de CO2 i termometria i espectroscòpia, lents, finestres i sistemes FLIR |
Germani (Ge)
El germani té un aspecte fumat gris fosc amb un índex de refracció de 4,024 amb baixa dispersió òptica. Té una densitat considerable amb una duresa Knoop (kg/mm2): 780,00 que li permet un bon rendiment per a l'òptica de camp en condicions difícils.
| Interval de transmissió òptim | Aplicacions ideals |
| 2 - 16 μm | LWIR - MWIR Imatge tèrmica (quan està recobert AR), situacions òptiques resistents |
Silici (S)
El silici té un aspecte blau-gris amb una gran capacitat tèrmica que el fa ideal per a miralls làser i hòsties de silici per a la indústria dels semiconductors. Té un índex de refracció de 3,42. Els components de silici s'utilitzen en dispositius electrònics perquè els seus corrents elèctrics poden passar pels conductors de silici molt més ràpidament en comparació amb altres conductors, és menys dens que Ge o ZnSe. Es recomana el recobriment AR per a la majoria d'aplicacions.
| Interval de transmissió òptim | Aplicacions ideals |
| 1,2 - 8 μm | MWIR, imatges NIR, espectroscòpia IR, sistemes de detecció MWIR |
Sulfur de zinc (ZnS)
El sulfur de zinc és una opció excel·lent per als sensors infrarojos que transmet bé en l'espectre IR i visible. Normalment és una opció rendible respecte d'altres materials IR.
| Interval de transmissió òptim | Aplicacions ideals |
| 0,6 - 18 μm | LWIR - MWIR, sensors infrarojos visibles i d'ona mitjana o d'ona llarga |
L'elecció del substrat i del recobriment antireflex dependrà de quina longitud d'ona requereixi una transmitància principal a la vostra aplicació. Per exemple, si esteu transmetent llum IR en el rang MWIR, el germani pot ser una bona opció. Per a aplicacions NIR, el safir pot ser ideal.
Altres especificacions que potser voldreu tenir en compte en la vostra òptica d'infrarojos inclouen propietats tèrmiques i índex de refracció. Les propietats tèrmiques d'un substrat quantifiquen com reacciona a la calor. Sovint, els elements òptics infrarojos estaran exposats a temperatures molt variables. Algunes aplicacions IR també produeixen una gran quantitat de calor. Per determinar si un substrat IR és adequat per a la vostra aplicació, voldreu comprovar el gradient d'índex i el coeficient d'expansió tèrmica (CTE). Si un substrat determinat té un gradient d'índex alt, pot tenir un rendiment òptic subòptim quan s'utilitza en un entorn tèrmicament volàtil. Si té un CTE alt, es pot expandir o contraure a un ritme elevat donat un gran canvi de temperatura. Els materials més utilitzats en òptica infraroja varien àmpliament en índex de refracció. El germani, per exemple, té un índex de refracció de 4,0003, en comparació amb l'1,413 del MgF. La disponibilitat de substrats amb aquest ampli rang d'índex de refracció ofereix una major flexibilitat en el disseny del sistema. La dispersió d'un material IR mesura el canvi en l'índex de la longitud d'ona respecte a la longitud d'ona, així com l'aberració cromàtica, o la separació de la longitud d'ona. La dispersió es quantifica, inversament, amb el nombre d'Abbe, que es defineix com la relació de l'índex de refracció a la longitud d'ona d menys 1, sobre la diferència entre l'índex de refracció a les línies f i c. Si un substrat té un nombre d'Abbe superior a 55, és menys dispersiu i l'anomenem material de corona. Els substrats més dispersius amb números d'Abbe inferiors a 55 s'anomenen materials de sílex.
Aplicacions d'òptica infraroja
L'òptica infraroja té aplicacions en molts camps, des dels làsers de CO2 d'alta potència, que funcionen a 10,6 μm, fins a càmeres tèrmiques de visió nocturna (bandes MWIR i LWIR) i imatges IR. També són importants en espectroscòpia, ja que les transicions utilitzades per identificar molts gasos traça es troben a la regió de l'infraroig mitjà. Produïm òptiques de línia làser, així com components d'infrarojos que funcionen bé en un ampli rang de longituds d'ona, i el nostre equip experimentat pot oferir suport i consulta completa en el disseny.
Paralight Optics està utilitzant una sèrie de tècniques de processament avançades, com ara el tornejat de diamants de punt únic i el polit CNC per produir lents òptiques d'alta precisió de silici, germani i sulfur de zinc que troben aplicacions en càmeres MWIR i LWIR. Som capaços d'aconseguir precisions de menys de 0,5 franges PV i rugositat en el rang de menys de 10 nm.
Per obtenir una especificació més detallada, consulteu el nostreòptica del catàlego no dubtis a contactar amb nosaltres per a més informació.
Hora de publicació: 25-abril-2023
