1) Introducción a la Óptica Infrarroja
La óptica infrarroja se utiliza para recoger, enfocar o colimar luz en el rango de longitud de onda entre 760 y 14.000 nm. Esta porción de radiación IR se divide a su vez en cuatro rangos espectrales diferentes:
| Rango de infrarrojo cercano (NIR) | 700 – 900 nm |
| Alcance infrarrojo de onda corta (SWIR) | 900 – 2300 nm |
| Rango de infrarrojos de onda media (MWIR) | 3000 – 5000 nm |
| Alcance infrarrojo de onda larga (LWIR) | 8000 – 14000 nm |
2) Infrarrojo de onda corta (SWIR)
Las aplicaciones SWIR cubren el rango de 900 a 2300 nm. A diferencia de la luz MWIR y LWIR que se emite desde el propio objeto, SWIR se parece a la luz visible en el sentido de que los fotones son reflejados o absorbidos por un objeto, proporcionando así el contraste necesario para obtener imágenes de alta resolución. Las fuentes de luz natural, como la luz ambiental inicial y el resplandor de fondo (también conocido como resplandor nocturno), son emisores de SWIR y brindan una iluminación excelente para imágenes nocturnas en exteriores.
Una serie de aplicaciones que son problemáticas o imposibles de realizar con luz visible son factibles utilizando SWIR. Al tomar imágenes en SWIR, el vapor de agua, el humo del fuego, la niebla y ciertos materiales como el silicio son transparentes. Además, los colores que parecen casi idénticos en lo visible se pueden diferenciar fácilmente utilizando SWIR.
Las imágenes SWIR se utilizan para múltiples propósitos, como inspección de placas electrónicas y células solares, inspección de productos, identificación y clasificación, vigilancia, lucha contra la falsificación, control de calidad de procesos y más.
3) Infrarrojo de onda media (MWIR)
Los sistemas MWIR funcionan en el rango de 3 a 5 micrones. Al decidir entre sistemas MWIR y LWIR, hay que tener en cuenta varios factores. En primer lugar, hay que tener en cuenta los componentes atmosféricos locales, como la humedad y la niebla. Los sistemas MWIR se ven menos afectados por la humedad que los sistemas LWIR, por lo que son superiores para aplicaciones como vigilancia costera, vigilancia del tráfico de embarcaciones o protección portuaria.
MWIR tiene una mayor transmisión atmosférica que LWIR en la mayoría de los climas. Por lo tanto, MWIR es generalmente preferible para aplicaciones de vigilancia de muy largo alcance que superan los 10 km de distancia del objeto.
Además, MWIR también es una mejor opción si desea detectar objetos de alta temperatura como vehículos, aviones o misiles. En la imagen siguiente se puede ver que las columnas de escape calientes son significativamente más visibles en el MWIR que en el LWIR.
4) Infrarrojo de onda larga (LWIR)
Los sistemas LWIR funcionan en el rango de 8 a 14 micrones. Se prefieren para aplicaciones con objetos a temperatura cercana a la ambiente. Las cámaras LWIR se ven menos afectadas por el sol y, por lo tanto, son mejores para funcionar en exteriores. Por lo general, son sistemas no refrigerados que utilizan microbolómetros de matriz de plano focal, aunque también existen cámaras LWIR refrigeradas que utilizan detectores de mercurio, cadmio y telurio (MCT). Por el contrario, la mayoría de las cámaras MWIR requieren refrigeración, empleando nitrógeno líquido o un enfriador de ciclo Stirling.
Los sistemas LWIR encuentran una amplia cantidad de aplicaciones, como inspección de edificios e infraestructuras, detección de defectos, detección de gases y más. Las cámaras LWIR han desempeñado un papel importante durante la pandemia de COVID-19, ya que permiten una medición rápida y precisa de la temperatura corporal.
5) Guía de selección de sustratos IR
Los materiales IR tienen propiedades distintas que les permiten funcionar bien en el espectro infrarrojo. Sílice fundida por infrarrojos, germanio, silicio, zafiro y sulfuro/seleniuro de zinc, cada uno tiene puntos fuertes para aplicaciones de infrarrojos.
Seleniuro de zinc (ZnSe)
El seleniuro de zinc es un compuesto sólido de color amarillo claro que comprende zinc y selenio. Se crea mediante la síntesis de vapor de zinc y gas H2 Se, formando láminas sobre un sustrato de grafito. Es conocido por su baja tasa de absorción y que permite excelentes usos para los láseres de CO2.
| Rango de transmisión óptimo | Aplicaciones ideales |
| 0,6 - 16 µm | Láseres de CO2 y termometría y espectroscopia, lentes, ventanas y sistemas FLIR |
Germanio (Ge)
El germanio tiene un aspecto ahumado de color gris oscuro con un índice de refracción de 4,024 con baja dispersión óptica. Tiene una densidad considerable con una dureza Knoop (kg/mm2): 780,00, lo que le permite funcionar bien para óptica de campo en condiciones difíciles.
| Rango de transmisión óptimo | Aplicaciones ideales |
| 2 - 16 µm | LWIR - MWIR Imágenes térmicas (cuando se recubre AR), situaciones ópticas resistentes |
Silicio (S)
El silicio tiene un aspecto gris azulado y una alta capacidad térmica que lo hace ideal para espejos láser y obleas de silicio para la industria de semiconductores. Tiene un índice de refracción de 3,42. Los componentes de silicio se utilizan en dispositivos electrónicos porque sus corrientes eléctricas pueden pasar a través de los conductores de silicio mucho más rápido en comparación con otros conductores y es menos denso que el Ge o el ZnSe. Se recomienda el recubrimiento AR para la mayoría de las aplicaciones.
| Rango de transmisión óptimo | Aplicaciones ideales |
| 1,2 - 8 μm | MWIR, imágenes NIR, espectroscopia IR, sistemas de detección MWIR |
Sulfuro de Zinc (ZnS)
El sulfuro de zinc es una excelente opción para sensores infrarrojos, ya que transmite bien en el espectro IR y visible. Suele ser una opción rentable frente a otros materiales IR.
| Rango de transmisión óptimo | Aplicaciones ideales |
| 0,6 - 18 µm | LWIR - MWIR, sensores infrarrojos visibles y de onda media o larga |
Su elección de sustrato y revestimiento antirreflectante dependerá de qué longitud de onda requiera transmitancia principal en su aplicación. Por ejemplo, si transmite luz IR en el rango MWIR, el germanio puede ser una buena opción. Para aplicaciones NIR, el zafiro puede ser ideal.
Otras especificaciones que quizás desee considerar al elegir una óptica infrarroja incluyen las propiedades térmicas y el índice de refracción. Las propiedades térmicas de un sustrato cuantifican cómo reacciona al calor. A menudo, los elementos ópticos infrarrojos estarán expuestos a temperaturas muy variables. Algunas aplicaciones de infrarrojos también producen una gran cantidad de calor. Para determinar si un sustrato IR es adecuado para su aplicación, deberá comprobar el gradiente del índice y el coeficiente de expansión térmica (CTE). Si un sustrato determinado tiene un gradiente de índice alto, puede tener un rendimiento óptico subóptimo cuando se utiliza en un entorno térmicamente volátil. Si tiene un CTE alto, puede expandirse o contraerse a un ritmo elevado dado un gran cambio de temperatura. Los materiales más utilizados en óptica infrarroja varían ampliamente en cuanto a índice de refracción. El germanio, por ejemplo, tiene un índice de refracción de 4,0003, frente a 1,413 del MgF. La disponibilidad de sustratos con este amplio rango de índice de refracción brinda mayor flexibilidad en el diseño del sistema. La dispersión de un material IR mide el cambio en el índice de longitud de onda con respecto a la longitud de onda así como la aberración cromática o la separación de longitudes de onda. La dispersión se cuantifica, inversamente, con el número de Abbe, que se define como la relación entre el índice de refracción en la longitud de onda d menos 1, sobre la diferencia entre el índice de refracción en las líneas f y c. Si un sustrato tiene un número de Abbe mayor que 55, es menos dispersivo y lo llamamos material de corona. Los sustratos más dispersivos con números de Abbe inferiores a 55 se denominan materiales sílex.
Aplicaciones de óptica infrarroja
La óptica infrarroja tiene aplicaciones en muchos campos, desde láseres de CO2 de alta potencia, que funcionan a 10,6 μm, hasta cámaras termográficas de visión nocturna (bandas MWIR y LWIR) e imágenes IR. También son importantes en espectroscopia, ya que las transiciones utilizadas para identificar muchos gases traza se encuentran en la región del infrarrojo medio. Producimos ópticas de línea láser, así como componentes infrarrojos que funcionan bien en un amplio rango de longitudes de onda, y nuestro equipo experimentado puede brindar asesoramiento y soporte completo de diseño.
Paralight Optics utiliza una gama de técnicas de procesamiento avanzadas, como torneado de diamante de un solo punto y pulido CNC, para producir lentes ópticas de alta precisión a partir de silicio, germanio y sulfuro de zinc que encuentran aplicaciones en cámaras MWIR y LWIR. Podemos lograr precisiones de menos de 0,5 franjas PV y rugosidades en el rango de menos de 10 nm.
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Hora de publicación: 25 de abril de 2023
