1) Einführung in die Infrarotoptik
Infrarotoptiken werden verwendet, um Licht im Wellenlängenbereich zwischen 760 und 14.000 nm zu sammeln, zu fokussieren oder zu kollimieren. Dieser Anteil der IR-Strahlung wird weiter in vier verschiedene Spektralbereiche unterteilt:
| Nahinfrarotbereich (NIR) | 700 – 900 nm |
| Kurzwelliger Infrarotbereich (SWIR) | 900 – 2300 nm |
| Mittelwelliger Infrarotbereich (MWIR) | 3000 – 5000 nm |
| Langwelliger Infrarotbereich (LWIR) | 8000 – 14000 nm |
2) Kurzwellen-Infrarot (SWIR)
SWIR-Anwendungen decken den Bereich von 900 bis 2300 nm ab. Im Gegensatz zu MWIR- und LWIR-Licht, das vom Objekt selbst emittiert wird, ähnelt SWIR dem sichtbaren Licht in dem Sinne, dass Photonen von einem Objekt reflektiert oder absorbiert werden und so den notwendigen Kontrast für hochauflösende Bilder bieten. Natürliche Lichtquellen wie Umgebungsstartlicht und Hintergrundstrahlung (auch Nachtlicht genannt) sind solche SWIR-Emittenten und liefern eine hervorragende Beleuchtung für Außenaufnahmen bei Nacht.
Eine Reihe von Anwendungen, die mit sichtbarem Licht problematisch oder gar nicht durchführbar sind, sind mit SWIR möglich. Bei der Bildgebung im SWIR sind Wasserdampf, Feuerrauch, Nebel und bestimmte Materialien wie Silizium transparent. Darüber hinaus können Farben, die im Sichtbaren nahezu identisch erscheinen, mithilfe von SWIR leicht unterschieden werden.
Die SWIR-Bildgebung wird für verschiedene Zwecke eingesetzt, z. B. zur Inspektion elektronischer Platinen und Solarzellen, zur Produktinspektion, Identifizierung und Sortierung, Überwachung, Fälschungssicherheit, Prozessqualitätskontrolle und mehr.
3) Mittelwellen-Infrarot (MWIR)
MWIR-Systeme arbeiten im Bereich von 3 bis 5 Mikrometer. Bei der Entscheidung zwischen MWIR- und LWIR-Systemen müssen mehrere Faktoren berücksichtigt werden. Zunächst müssen die lokalen atmosphärischen Bestandteile wie Feuchtigkeit und Nebel berücksichtigt werden. MWIR-Systeme werden weniger von Feuchtigkeit beeinflusst als LWIR-Systeme und eignen sich daher besser für Anwendungen wie Küstenüberwachung, Schiffsverkehrsüberwachung oder Hafenschutz.
MWIR hat in den meisten Klimazonen eine größere atmosphärische Übertragung als LWIR. Daher ist MWIR im Allgemeinen für Überwachungsanwendungen mit großer Reichweite, die mehr als 10 km vom Objekt entfernt sind, vorzuziehen.
Darüber hinaus ist MWIR auch eine bessere Option, wenn Sie Objekte mit hoher Temperatur wie Fahrzeuge, Flugzeuge oder Raketen erkennen möchten. Im Bild unten sieht man, dass die heißen Abgasfahnen im MWIR deutlich besser sichtbar sind als im LWIR.
4) Langwelliges Infrarot (LWIR)
LWIR-Systeme arbeiten im Bereich von 8 bis 14 Mikrometer. Sie werden für Anwendungen mit Objekten in der Nähe von Raumtemperatur bevorzugt. LWIR-Kameras werden weniger von der Sonne beeinflusst und eignen sich daher besser für den Einsatz im Freien. Dabei handelt es sich in der Regel um ungekühlte Systeme, die Focal-Plane-Array-Mikrobolometer verwenden, obwohl es auch gekühlte LWIR-Kameras gibt, die Quecksilber-Cadmium-Tellur-Detektoren (MCT) verwenden. Im Gegensatz dazu benötigen die meisten MWIR-Kameras eine Kühlung, die entweder mit flüssigem Stickstoff oder einem Stirling-Zykluskühler erfolgt.
LWIR-Systeme finden eine Vielzahl von Anwendungen, wie z. B. Inspektion von Gebäuden und Infrastruktur, Defekterkennung, Gasdetektion und mehr. LWIR-Kameras haben während der COVID-19-Pandemie eine wichtige Rolle gespielt, da sie eine schnelle und genaue Messung der Körpertemperatur ermöglichen.
5) Leitfaden zur Auswahl von IR-Substraten
IR-Materialien verfügen über besondere Eigenschaften, die ihnen eine gute Leistung im Infrarotspektrum ermöglichen. IR-Quarzglas, Germanium, Silizium, Saphir und Zinksulfid/Selenid haben jeweils Stärken für Infrarotanwendungen.
Zinkselenid (ZnSe)
Zinkselenid ist eine hellgelbe, feste Verbindung aus Zink und Selen. Es entsteht durch die Synthese von Zinkdampf und H2Se-Gas und bildet Schichten auf einem Graphitsubstrat. Es ist für seine niedrige Absorptionsrate bekannt und ermöglicht hervorragende Einsatzmöglichkeiten für CO2-Laser.
| Optimale Übertragungsreichweite | Ideale Anwendungen |
| 0,6 - 16μm | CO2-Laser und Thermometrie und Spektroskopie, Linsen, Fenster und FLIR-Systeme |
Germanium (Ge)
Germanium hat ein dunkelgraues, rauchiges Aussehen mit einem Brechungsindex von 4,024 und geringer optischer Dispersion. Es verfügt über eine beträchtliche Dichte mit einer Knoop-Härte (kg/mm2): 780,00, was ihm eine gute Leistung für Feldoptiken unter rauen Bedingungen ermöglicht.
| Optimale Übertragungsreichweite | Ideale Anwendungen |
| 2 - 16μm | LWIR – MWIR Wärmebildgebung (bei AR-Beschichtung), raue optische Situationen |
Silizium (S)
Silizium hat ein blaugraues Aussehen und eine hohe Wärmekapazität, was es ideal für Laserspiegel und Siliziumwafer für die Halbleiterindustrie macht. Es hat einen Brechungsindex von 3,42. Siliziumkomponenten werden in elektronischen Geräten verwendet, weil die elektrischen Ströme im Vergleich zu anderen Leitern viel schneller durch die Siliziumleiter fließen können und es eine geringere Dichte als Ge oder ZnSe aufweist. Für die meisten Anwendungen wird eine AR-Beschichtung empfohlen.
| Optimale Übertragungsreichweite | Ideale Anwendungen |
| 1,2 - 8μm | MWIR-, NIR-Bildgebungs-, IR-Spektroskopie- und MWIR-Detektionssysteme |
Zinksulfid (ZnS)
Zinksulfid ist eine ausgezeichnete Wahl für Infrarotsensoren, da es im IR- und sichtbaren Spektrum gut überträgt. Es ist in der Regel eine kostengünstige Wahl gegenüber anderen IR-Materialien.
| Optimale Übertragungsreichweite | Ideale Anwendungen |
| 0,6 - 18μm | LWIR – MWIR, sichtbare und mittelwellige oder langwellige Infrarotsensoren |
Die Wahl des Substrats und der Antireflexionsbeschichtung hängt davon ab, welche Wellenlänge in Ihrer Anwendung die höchste Durchlässigkeit erfordert. Wenn Sie beispielsweise IR-Licht im MWIR-Bereich übertragen, ist Germanium möglicherweise eine gute Wahl. Für NIR-Anwendungen könnte Saphir ideal sein.
Zu den weiteren Spezifikationen, die Sie bei der Wahl Ihrer Infrarotoptik berücksichtigen sollten, gehören die thermischen Eigenschaften und der Brechungsindex. Die thermischen Eigenschaften eines Substrats quantifizieren, wie es auf Wärme reagiert. Infrarot-optische Elemente sind häufig stark schwankenden Temperaturen ausgesetzt. Einige IR-Anwendungen erzeugen auch große Mengen an Wärme. Um festzustellen, ob ein IR-Substrat für Ihre Anwendung geeignet ist, sollten Sie den Indexgradienten und den Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) überprüfen. Wenn ein bestimmtes Substrat einen hohen Indexgradienten aufweist, weist es möglicherweise eine nicht optimale optische Leistung auf, wenn es in einer thermisch volatilen Umgebung verwendet wird. Wenn es einen hohen CTE hat, kann es sich bei einer großen Temperaturänderung mit hoher Geschwindigkeit ausdehnen oder zusammenziehen. Die in der Infrarotoptik am häufigsten verwendeten Materialien unterscheiden sich stark im Brechungsindex. Germanium hat beispielsweise einen Brechungsindex von 4,0003, verglichen mit 1,413 für MgF. Die Verfügbarkeit von Substraten mit diesem breiten Brechungsindexbereich bietet zusätzliche Flexibilität beim Systemdesign. Die Dispersion eines IR-Materials misst die Änderung des Wellenlängenindex in Bezug auf die Wellenlänge sowie die chromatische Aberration oder den Wellenlängenabstand. Die Dispersion wird umgekehrt mit der Abbe-Zahl quantifiziert, die als Verhältnis des Brechungsindex bei der d-Wellenlänge minus 1 zur Differenz zwischen dem Brechungsindex bei der f- und c-Linie definiert ist. Wenn ein Substrat eine Abbe-Zahl von mehr als 55 hat, ist es weniger dispersiv und wir nennen es Kronenmaterial. Dispersionsfähigere Substrate mit Abbe-Zahlen unter 55 werden als Flintmaterialien bezeichnet.
Anwendungen der Infrarotoptik
Infrarotoptik findet in vielen Bereichen Anwendung, von Hochleistungs-CO2-Lasern, die bei 10,6 μm arbeiten, bis hin zu Nachtsicht-Wärmebildkameras (MWIR- und LWIR-Bänder) und IR-Bildgebung. Sie sind auch in der Spektroskopie wichtig, da die zur Identifizierung vieler Spurengase verwendeten Übergänge im mittleren Infrarotbereich liegen. Wir produzieren Laserlinienoptiken sowie Infrarotkomponenten, die über einen weiten Wellenlängenbereich eine gute Leistung erbringen, und unser erfahrenes Team kann umfassende Designunterstützung und Beratung bieten.
Paralight Optics nutzt eine Reihe fortschrittlicher Verarbeitungstechniken wie Single-Point-Diamantdrehen und CNC-Polieren, um hochpräzise optische Linsen aus Silizium, Germanium und Zinksulfid herzustellen, die in MWIR- und LWIR-Kameras Anwendung finden. Wir sind in der Lage, Genauigkeiten von weniger als 0,5 Streifen PV und Rauheiten im Bereich von weniger als 10 nm zu erreichen.
Für detailliertere Spezifikationen schauen Sie sich bitte unsere anKatalog Optikoder kontaktieren Sie uns für weitere Informationen.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 25. April 2023
