Τι είναι η υπέρυθρη οπτική;

1) Εισαγωγή στην Υπέρυθρη Οπτική

Τα υπέρυθρα οπτικά χρησιμοποιούνται για τη συλλογή, την εστίαση ή τη συγκέντρωση φωτός στο εύρος μήκους κύματος μεταξύ 760 και 14.000 nm. Αυτό το τμήμα της ακτινοβολίας IR χωρίζεται περαιτέρω σε τέσσερις διαφορετικές φασματικές περιοχές:

Εύρος Κοντά στο υπέρυθρο (NIR)	700 – 900 nm
Εύρος υπερύθρων βραχέων κυμάτων (SWIR)	900 – 2300 nm
Εύρος υπέρυθρων μεσαίων κυμάτων (MWIR)	3000 – 5000 nm
Εύρος υπέρυθρων μεγάλων κυμάτων (LWIR)	8000 – 14000 nm

2) Υπέρυθρες βραχέων κυμάτων (SWIR)

Οι εφαρμογές SWIR καλύπτουν το εύρος από 900 έως 2300 nm. Σε αντίθεση με το φως MWIR και LWIR που εκπέμπεται από το ίδιο το αντικείμενο, το SWIR μοιάζει με ορατό φως με την έννοια ότι τα φωτόνια αντανακλώνται ή απορροφώνται από ένα αντικείμενο, παρέχοντας έτσι την απαραίτητη αντίθεση για απεικόνιση υψηλής ανάλυσης. Οι φυσικές πηγές φωτός, όπως το φως εκκίνησης του περιβάλλοντος και η ακτινοβολία φόντου (γνωστή και ως nightglow) είναι τέτοιοι εκπομποί του SWIR και παρέχουν εξαιρετικό φωτισμό για εξωτερική απεικόνιση τη νύχτα.

Ένας αριθμός εφαρμογών που είναι προβληματικές ή αδύνατο να εκτελεστούν με χρήση ορατού φωτός είναι εφικτές χρησιμοποιώντας το SWIR. Κατά την απεικόνιση σε SWIR, οι υδρατμοί, ο καπνός της φωτιάς, η ομίχλη και ορισμένα υλικά όπως το πυρίτιο είναι διαφανή. Επιπλέον, τα χρώματα που φαίνονται σχεδόν πανομοιότυπα στο ορατό μπορούν εύκολα να διαφοροποιηθούν χρησιμοποιώντας το SWIR.

Η απεικόνιση SWIR χρησιμοποιείται για πολλαπλούς σκοπούς, όπως επιθεώρηση ηλεκτρονικής πλακέτας και ηλιακών κυψελών, επιθεώρηση προϊόντων, αναγνώριση και ταξινόμηση, επιτήρηση, καταπολέμηση της παραχάραξης, έλεγχος ποιότητας διεργασιών και άλλα.

3) Υπέρυθρες μεσαίου κύματος (MWIR)

Τα συστήματα MWIR λειτουργούν στην περιοχή 3 έως 5 micron. Όταν αποφασίζετε μεταξύ συστημάτων MWIR και LWIR, πρέπει να λάβετε υπόψη πολλούς παράγοντες. Πρώτον, πρέπει να ληφθούν υπόψη τα τοπικά ατμοσφαιρικά συστατικά όπως η υγρασία και η ομίχλη. Τα συστήματα MWIR επηρεάζονται λιγότερο από την υγρασία από τα συστήματα LWIR, επομένως είναι ανώτερα για εφαρμογές όπως η επιτήρηση ακτών, η επιτήρηση της κυκλοφορίας των πλοίων ή η προστασία του λιμανιού.

Το MWIR έχει μεγαλύτερη ατμοσφαιρική μετάδοση από το LWIR στα περισσότερα κλίματα. Επομένως, το MWIR είναι γενικά προτιμότερο για εφαρμογές επιτήρησης πολύ μεγάλης εμβέλειας που υπερβαίνουν την απόσταση των 10 km από το αντικείμενο.

Επιπλέον, το MWIR είναι επίσης μια καλύτερη επιλογή εάν θέλετε να ανιχνεύσετε αντικείμενα υψηλής θερμοκρασίας όπως οχήματα, αεροπλάνα ή βλήματα. Στην παρακάτω εικόνα μπορεί κανείς να δει ότι τα καυτά νέφη των καυσαερίων είναι σημαντικά πιο ορατά στο MWIR από ότι στο LWIR.

4) Υπέρυθρες Μεγάλων Κυμάτων (LWIR)

Τα συστήματα LWIR λειτουργούν στην περιοχή 8 έως 14 micron. Προτιμώνται για εφαρμογές με αντικείμενα κοντά σε θερμοκρασία δωματίου. Οι κάμερες LWIR επηρεάζονται λιγότερο από τον ήλιο και επομένως είναι καλύτερες για λειτουργία σε εξωτερικούς χώρους. Είναι συνήθως μη ψυχόμενα συστήματα που χρησιμοποιούν μικροβολόμετρα Focal Plane Array, αν και υπάρχουν και ψυχόμενες κάμερες LWIR και χρησιμοποιούν ανιχνευτές υδραργύρου καδμίου τελλουρίου (MCT). Αντίθετα, η πλειονότητα των καμερών MWIR απαιτεί ψύξη, χρησιμοποιώντας είτε υγρό άζωτο είτε ψύκτη κύκλου Stirling.

Τα συστήματα LWIR βρίσκουν έναν μεγάλο αριθμό εφαρμογών όπως επιθεώρηση κτιρίου και υποδομής, ανίχνευση ελαττωμάτων, ανίχνευση αερίου και άλλα. Οι κάμερες LWIR διαδραμάτισαν σημαντικό ρόλο κατά τη διάρκεια της πανδημίας COVID-19, καθώς επιτρέπουν γρήγορη και ακριβή μέτρηση της θερμοκρασίας του σώματος.

5) Οδηγός επιλογής υποστρωμάτων υπερύθρων

Τα υλικά υπερύθρων έχουν διακριτές ιδιότητες που τους επιτρέπουν να έχουν καλή απόδοση στο υπέρυθρο φάσμα. Συντηγμένο πυρίτιο υπερύθρων, γερμάνιο, πυρίτιο, ζαφείρι και θειούχο ψευδάργυρο/σεληνίδιο, το καθένα έχει πλεονεκτήματα για εφαρμογές υπερύθρων.

Σελενίδιο ψευδαργύρου (ZnSe)

Το σεληνίδιο του ψευδαργύρου είναι μια ανοιχτοκίτρινη, στερεή ένωση που περιλαμβάνει ψευδάργυρο και σελήνιο. Δημιουργείται από τη σύνθεση ατμού ψευδαργύρου και αερίου H2 Se, που σχηματίζονται ως φύλλα σε ένα υπόστρωμα γραφίτη. Είναι γνωστό για το χαμηλό ποσοστό απορρόφησής του και το οποίο επιτρέπει εξαιρετικές χρήσεις για λέιζερ CO2.

Βέλτιστη εμβέλεια μετάδοσης	Ιδανικές Εφαρμογές
0,6 - 16μm	Λέιζερ CO2 και θερμομετρία και φασματοσκοπία, φακοί, παράθυρα και συστήματα FLIR

γερμάνιο (Ge)

Το γερμάνιο έχει σκούρα γκρι καπνιστή εμφάνιση με δείκτη διάθλασης 4.024 με χαμηλή οπτική διασπορά. Έχει σημαντική πυκνότητα με σκληρότητα Knoop (kg/mm2): 780,00 που του επιτρέπει να αποδίδει καλά για οπτικά πεδίου σε σκληρές συνθήκες.

Βέλτιστη εμβέλεια μετάδοσης	Ιδανικές Εφαρμογές
2 - 16μm	LWIR - MWIR Θερμική απεικόνιση (όταν έχει επικάλυψη AR), σκληρές οπτικές καταστάσεις

Πυρίτιο (S)

Το πυρίτιο έχει μπλε-γκρι εμφάνιση με υψηλή θερμική ικανότητα που το καθιστά ιδανικό για καθρέφτες λέιζερ και γκοφρέτες πυριτίου για τη βιομηχανία ημιαγωγών. Έχει δείκτη διάθλασης 3,42. Τα εξαρτήματα πυριτίου που χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρονικές συσκευές είναι επειδή τα ηλεκτρικά του ρεύματα μπορούν να περάσουν μέσω των αγωγών πυριτίου πολύ πιο γρήγορα σε σύγκριση με άλλους αγωγούς, είναι λιγότερο πυκνό από το Ge ή το ZnSe. Η επίστρωση AR συνιστάται για τις περισσότερες εφαρμογές.

Βέλτιστη εμβέλεια μετάδοσης	Ιδανικές Εφαρμογές
1,2 - 8μm	MWIR, απεικόνιση NIR, φασματοσκοπία IR, συστήματα ανίχνευσης MWIR

Θειούχος ψευδάργυρος (ZnS)

Το θειούχο ψευδάργυρο είναι μια εξαιρετική επιλογή για αισθητήρες υπερύθρων που εκπέμπει καλά στο IR και στο ορατό φάσμα. Είναι συνήθως μια οικονομικά αποδοτική επιλογή έναντι άλλων υλικών υπερύθρων.

Βέλτιστη εμβέλεια μετάδοσης	Ιδανικές Εφαρμογές
0,6 - 18μm	LWIR - MWIR, ορατοί και υπέρυθροι αισθητήρες μεσαίου ή μεγάλου κύματος

Η επιλογή του υποστρώματος και της αντιανακλαστικής επίστρωσης θα εξαρτηθεί από το ποιο μήκος κύματος απαιτεί πρωταρχική μετάδοση στην εφαρμογή σας. Για παράδειγμα, εάν εκπέμπετε φως υπερύθρων στην περιοχή MWIR, το γερμάνιο μπορεί να είναι μια καλή επιλογή. Για εφαρμογές NIR, το ζαφείρι μπορεί να είναι ιδανικό.

Άλλες προδιαγραφές που μπορεί να θέλετε να λάβετε υπόψη στην επιλογή των υπέρυθρων οπτικών περιλαμβάνουν θερμικές ιδιότητες και δείκτη διάθλασης. Οι θερμικές ιδιότητες ενός υποστρώματος ποσοτικοποιούν τον τρόπο με τον οποίο αντιδρά στη θερμότητα. Συχνά, τα υπέρυθρα οπτικά στοιχεία εκτίθενται σε πολύ διαφορετικές θερμοκρασίες. Ορισμένες εφαρμογές υπερύθρων παράγουν επίσης μεγάλη ποσότητα θερμότητας. Για να προσδιορίσετε εάν ένα υπόστρωμα υπερύθρων είναι κατάλληλο για την εφαρμογή σας, θα θέλετε να ελέγξετε την κλίση δείκτη και τον συντελεστή θερμικής διαστολής (CTE). Εάν ένα δεδομένο υπόστρωμα έχει υψηλή κλίση δείκτη, μπορεί να έχει μη βέλτιστη οπτική απόδοση όταν χρησιμοποιείται σε θερμικά πτητική ρύθμιση. Εάν έχει υψηλό CTE, μπορεί να διαστέλλεται ή να συστέλλεται με υψηλό ρυθμό δεδομένης μιας μεγάλης αλλαγής στη θερμοκρασία. Τα υλικά που χρησιμοποιούνται συχνότερα στην υπέρυθρη οπτική διαφέρουν ευρέως ως προς τον δείκτη διάθλασης. Το γερμάνιο, για παράδειγμα, έχει δείκτη διάθλασης 4.0003, σε σύγκριση με 1.413 για το MgF. Η διαθεσιμότητα υποστρωμάτων με αυτό το ευρύ φάσμα δείκτη διάθλασης δίνει πρόσθετη ευελιξία στο σχεδιασμό του συστήματος. Η διασπορά ενός υλικού υπερύθρων μετρά τη μεταβολή του δείκτη μήκους κύματος σε σχέση με το μήκος κύματος καθώς και τη χρωματική εκτροπή ή τον διαχωρισμό του μήκους κύματος. Η διασπορά ποσοτικοποιείται, αντιστρόφως, με τον αριθμό Abbe, ο οποίος ορίζεται ως ο λόγος του δείκτη διάθλασης στο μήκος κύματος d μείον 1, επί της διαφοράς μεταξύ του δείκτη διάθλασης στις γραμμές f και c. Εάν ένα υπόστρωμα έχει αριθμό Abbe μεγαλύτερο από 55, είναι λιγότερο διασκορπισμένο και το ονομάζουμε υλικό κορώνας. Πιο διασκορπιστικά υποστρώματα με αριθμούς Abbe μικρότερους από 55 ονομάζονται υλικά πυριτόλιθου.

Εφαρμογές Υπέρυθρων Οπτικών

Τα υπέρυθρα οπτικά έχουν εφαρμογές σε πολλά πεδία, από λέιζερ CO2 υψηλής ισχύος, που λειτουργούν στα 10,6 μm, έως κάμερες θερμικής απεικόνισης νυχτερινής όρασης (ζώνες MWIR και LWIR) και απεικόνιση IR. Είναι επίσης σημαντικά στη φασματοσκοπία, καθώς οι μεταβάσεις που χρησιμοποιούνται για την αναγνώριση πολλών ιχνοαερίων είναι στη μέση υπέρυθρη περιοχή. Παράγουμε οπτικά στοιχεία γραμμής λέιζερ καθώς και εξαρτήματα υπέρυθρων που αποδίδουν καλά σε μεγάλο εύρος μήκους κύματος και η έμπειρη ομάδα μας μπορεί να παρέχει πλήρη υποστήριξη σχεδιασμού και συμβουλές.

Η Paralight Optics χρησιμοποιεί μια σειρά προηγμένων τεχνικών επεξεργασίας όπως το Single Point Diamond Turning και το CNC γυάλισμα για την παραγωγή οπτικών φακών υψηλής ακρίβειας από πυρίτιο, γερμάνιο και θειούχο ψευδάργυρο που βρίσκουν εφαρμογές σε κάμερες MWIR και LWIR. Είμαστε σε θέση να επιτύχουμε ακρίβειες μικρότερες από 0,5 Φ/Β κροσσών και τραχύτητα στην περιοχή μικρότερη από 10 nm.