Co je infračervená optika?

1) Úvod do infračervené optiky

Infračervená optika se používá ke sběru, zaostřování nebo kolimaci světla v rozsahu vlnových délek mezi 760 a 14 000 nm. Tato část IR záření je dále rozdělena do čtyř různých spektrálních rozsahů:

Blízký infračervený rozsah (NIR)	700 – 900 nm
Krátkovlnný infračervený rozsah (SWIR)	900 – 2300 nm
Infračervený rozsah středních vln (MWIR)	3000 – 5000 nm
Dlouhovlnný infračervený rozsah (LWIR)	8000 – 14000 nm

2) Krátkovlnné infračervené (SWIR)

SWIR aplikace pokrývají rozsah od 900 do 2300 nm. Na rozdíl od MWIR a LWIR světla, které je vyzařováno samotným objektem, SWIR připomíná viditelné světlo v tom smyslu, že fotony jsou odraženy nebo absorbovány objektem, čímž poskytuje potřebný kontrast pro zobrazování s vysokým rozlišením. Zdroje přirozeného světla, jako je okolní počáteční světlo a záře pozadí (neboli noční záře), jsou takové emitory SWIR a poskytují vynikající osvětlení pro venkovní zobrazování v noci.

Řada aplikací, které jsou problematické nebo nemožné provádět pomocí viditelného světla, jsou proveditelné pomocí SWIR. Při zobrazování ve SWIR jsou vodní páry, kouř z ohně, mlha a některé materiály, jako je křemík, průhledné. Navíc barvy, které se na viditelném místě jeví téměř identicky, lze snadno odlišit pomocí SWIR.

Zobrazování SWIR se používá pro různé účely, jako je kontrola elektronických desek a solárních článků, kontrola produkce, identifikace a třídění, sledování, ochrana proti padělání, kontrola kvality procesu a další.

3) Mid-Wave Infrared (MWIR)

Systémy MWIR pracují v rozsahu 3 až 5 mikronů. Při rozhodování mezi systémy MWIR a LWIR je třeba vzít v úvahu několik faktorů. Nejprve je třeba vzít v úvahu místní složky atmosféry, jako je vlhkost a mlha. Systémy MWIR jsou méně ovlivňovány vlhkostí než systémy LWIR, takže jsou lepší pro aplikace, jako je sledování pobřeží, sledování plavby nebo ochrana přístavů.

MWIR má ve většině podnebí větší přenos do atmosféry než LWIR. Proto je MWIR obecně výhodnější pro aplikace sledování na velmi dlouhé vzdálenosti přesahující 10 km od objektu.

Navíc je MWIR také lepší volbou, pokud chcete detekovat objekty s vysokou teplotou, jako jsou vozidla, letadla nebo rakety. Na obrázku níže je vidět, že horké oblaky výfuku jsou výrazně viditelnější v MWIR než v LWIR.

4) Dlouhovlnné infračervené (LWIR)

Systémy LWIR pracují v rozsahu 8 až 14 mikronů. Jsou preferovány pro aplikace s objekty v blízkosti pokojové teploty. Kamery LWIR jsou méně ovlivněny sluncem, a proto jsou lepší pro venkovní provoz. Jsou to typicky nechlazené systémy využívající mikrobolometry s ohniskovou rovinou, ačkoli existují také chlazené LWIR kamery a používají detektory Merkuru a kadmia Telluru (MCT). Naproti tomu většina kamer MWIR vyžaduje chlazení, využívající buď kapalný dusík nebo chladič se Stirlingovým cyklem.

Systémy LWIR nacházejí širokou řadu aplikací, jako je inspekce budov a infrastruktury, detekce závad, detekce plynů a další. Kamery LWIR sehrály důležitou roli během pandemie COVID-19, protože umožňují rychlé a přesné měření tělesné teploty.

5) Průvodce výběrem IR substrátů

IR materiály mají odlišné vlastnosti, které jim umožňují dobře fungovat v infračerveném spektru. IR tavený oxid křemičitý, germanium, křemík, safír a sulfid/selenid zinečnatý, každý má silné stránky pro infračervené aplikace.

Selenid zinečnatý (ZnSe)

Selenid zinečnatý je světle žlutá pevná sloučenina obsahující zinek a selen. Vzniká syntézou par zinku a plynného H2Se, které se tvoří jako pláty na grafitovém substrátu. Je známý svou nízkou mírou absorpce a umožňuje vynikající využití pro CO2 lasery.

Optimální dosah přenosu	Ideální aplikace
0,6 - 16μm	CO2 lasery a termometrie a spektroskopie, čočky, okna a systémy FLIR

Germanium (Ge)

Germanium má tmavě šedý kouřový vzhled s indexem lomu 4,024 s nízkou optickou disperzí. Má značnou hustotu s Knoopovou tvrdostí (kg/mm2): 780,00, což mu umožňuje dobře fungovat pro polní optiku v drsných podmínkách.

Optimální dosah přenosu	Ideální aplikace
2 - 16 μm	LWIR - MWIR Tepelné zobrazování (při AR povlaku), odolné optické situace

křemík (S)

Křemík má modrošedý vzhled s vysokou tepelnou kapacitou, díky čemuž je ideální pro laserová zrcadla a křemíkové destičky pro polovodičový průmysl. Má index lomu 3,42. Křemíkové součástky se používají v elektronických zařízeních, protože jejich elektrické proudy mohou procházet křemíkovými vodiči mnohem rychleji ve srovnání s jinými vodiči, je méně hustý než Ge nebo ZnSe. Pro většinu aplikací se doporučuje povlak AR.

Optimální dosah přenosu	Ideální aplikace
1,2 - 8μm	MWIR, NIR zobrazování, IR spektroskopie, MWIR detekční systémy

Sulfid zinečnatý (ZnS)

Sulfid zinečnatý je vynikající volbou pro infračervené senzory, které dobře propouští v IR a viditelném spektru. Obvykle se jedná o cenově výhodnou volbu oproti jiným IR materiálům.

Optimální dosah přenosu	Ideální aplikace
0,6 - 18μm	LWIR - MWIR, viditelné a středovlnné nebo dlouhovlnné infračervené senzory

Váš výběr substrátu a antireflexního povlaku bude záviset na tom, která vlnová délka vyžaduje ve vaší aplikaci hlavní propustnost. Pokud například vysíláte IR světlo v rozsahu MWIR, může být dobrou volbou germanium. Pro aplikace NIR může být ideální safír.

Mezi další specifikace, které můžete chtít vzít v úvahu při výběru infračervené optiky, patří tepelné vlastnosti a index lomu. Tepelné vlastnosti substrátu kvantifikují, jak reaguje na teplo. Infračervené optické prvky budou často vystaveny velmi proměnlivým teplotám. Některé IR aplikace také produkují velké množství tepla. Chcete-li zjistit, zda je IR substrát vhodný pro vaši aplikaci, budete chtít zkontrolovat gradient indexu a koeficient tepelné roztažnosti (CTE). Pokud má daný substrát vysoký gradient indexu, může mít suboptimální optický výkon při použití v tepelně těkavém prostředí. Pokud má vysoký CTE, může se při velké změně teploty roztahovat nebo smršťovat vysokou rychlostí. Materiály nejčastěji používané v infračervené optice se značně liší v indexu lomu. Germanium má například index lomu 4,0003 ve srovnání s 1,413 pro MgF. Dostupnost substrátů s tímto širokým rozsahem indexu lomu poskytuje větší flexibilitu při návrhu systému. Disperze IR materiálu měří změnu indexu vlnové délky s ohledem na vlnovou délku a také chromatickou aberaci nebo separaci vlnové délky. Disperze je kvantifikována inverzně pomocí Abbeova čísla, které je definováno jako poměr indexu lomu na vlnové délce d mínus 1 k rozdílu mezi indexem lomu na čarách f a c. Pokud má substrát Abbeovo číslo větší než 55, je méně disperzní a nazýváme jej korunkový materiál. Více disperzní substráty s Abbe čísly nižšími než 55 se nazývají pazourkové materiály.

Aplikace infračervené optiky

Infračervená optika má uplatnění v mnoha oblastech, od vysoce výkonných CO2 laserů, které pracují s 10,6 μm, až po termovizní kamery s nočním viděním (pásma MWIR a LWIR) a IR zobrazování. Jsou také důležité ve spektroskopii, protože přechody používané při identifikaci mnoha stopových plynů jsou ve střední infračervené oblasti. Vyrábíme laserovou liniovou optiku i infračervené komponenty, které dobře fungují v širokém rozsahu vlnových délek, a náš zkušený tým může poskytnout plnou podporu a konzultace při návrhu.

Paralight Optics používá řadu pokročilých technik zpracování, jako je Single Point Diamond Soustružení a CNC leštění k výrobě vysoce přesných optických čoček z křemíku, Germania a Zinc Sulfidu, které najdou uplatnění v MWIR a LWIR kamerách. Jsme schopni dosáhnout přesnosti menší než 0,5 proužků PV a drsnosti v rozsahu menším než 10 nm.