اپتیک مادون قرمز چیست؟

1) مقدمه ای بر اپتیک مادون قرمز

اپتیک مادون قرمز برای جمع آوری، فوکوس یا همسویی نور در محدوده طول موج بین 760 تا 14000 نانومتر استفاده می شود. این بخش از تابش IR بیشتر به چهار محدوده طیفی مختلف تقسیم می شود:

برد مادون قرمز نزدیک (NIR)	700 - 900 نانومتر
برد مادون قرمز موج کوتاه (SWIR)	900 - 2300 نانومتر
برد مادون قرمز موج میانی (MWIR)	3000 - 5000 نانومتر
برد مادون قرمز موج بلند (LWIR)	8000 - 14000 نانومتر

2) مادون قرمز موج کوتاه (SWIR)

کاربردهای SWIR محدوده 900 تا 2300 نانومتر را پوشش می دهند. برخلاف نور MWIR و LWIR که از خود جسم ساطع می شود، SWIR شبیه نور مرئی است به این معنا که فوتون ها توسط یک جسم منعکس یا جذب می شوند، بنابراین کنتراست لازم را برای تصویربرداری با وضوح بالا فراهم می کند. منابع نور طبیعی مانند نور شروع محیط و تابش پس‌زمینه (با نام مستعار nightglow) از جمله ساطع‌کننده‌های SWIR هستند و روشنایی عالی را برای تصویربرداری در فضای باز در شب ارائه می‌کنند.

تعدادی از برنامه های کاربردی که با استفاده از نور مرئی انجام آنها مشکل ساز است یا غیرممکن است با استفاده از SWIR امکان پذیر است. هنگام تصویربرداری در SWIR، بخار آب، دود آتش، مه و مواد خاصی مانند سیلیکون شفاف هستند. علاوه بر این، رنگ هایی که در نمای قابل مشاهده تقریباً یکسان به نظر می رسند، ممکن است به راحتی با استفاده از SWIR متمایز شوند.

تصویربرداری SWIR برای اهداف متعددی مانند بازرسی برد الکترونیکی و سلول خورشیدی، بازرسی محصولات، شناسایی و مرتب‌سازی، نظارت، ضد جعل، کنترل کیفیت فرآیند و موارد دیگر استفاده می‌شود.

3) مادون قرمز موج میانی (MWIR)

سیستم های MWIR در محدوده 3 تا 5 میکرون کار می کنند. هنگام تصمیم گیری بین سیستم های MWIR و LWIR، باید چندین فاکتور را در نظر گرفت. اول، اجزای جوی محلی مانند رطوبت و مه باید در نظر گرفته شوند. سیستم‌های MWIR کمتر از سیستم‌های LWIR تحت تأثیر رطوبت قرار می‌گیرند، بنابراین برای کاربردهایی مانند نظارت ساحلی، نظارت بر ترافیک کشتی‌ها یا حفاظت از بندر برتر هستند.

MWIR در اکثر اقلیم ها انتقال جوی بیشتری نسبت به LWIR دارد. بنابراین، MWIR به طور کلی برای برنامه های نظارتی با برد بسیار طولانی که فاصله بیش از 10 کیلومتر از جسم را دارد، ترجیح داده می شود.

علاوه بر این، اگر می‌خواهید اجسام با دمای بالا مانند وسایل نقلیه، هواپیما یا موشک را شناسایی کنید، MWIR گزینه بهتری است. در تصویر زیر می توان دید که دودهای داغ اگزوز در MWIR بیشتر از LWIR قابل مشاهده هستند.

4) مادون قرمز موج بلند (LWIR)

سیستم های LWIR در محدوده 8 تا 14 میکرون کار می کنند. آنها برای کاربردهایی با اجسام نزدیک به دمای اتاق ترجیح داده می شوند. دوربین های LWIR کمتر تحت تأثیر خورشید قرار می گیرند و بنابراین برای عملکرد در فضای باز بهتر هستند. آنها معمولاً سیستم های خنک نشده ای هستند که از میکروبولومترهای آرایه صفحه کانونی استفاده می کنند، اگرچه دوربین های LWIR خنک شده نیز وجود دارند و از آشکارسازهای تلوریوم کادمیوم جیوه (MCT) استفاده می کنند. در مقابل، اکثر دوربین‌های MWIR نیاز به خنک‌کنندگی دارند و از نیتروژن مایع یا خنک‌کننده چرخه استرلینگ استفاده می‌کنند.

سیستم های LWIR کاربردهای گسترده ای مانند بازرسی ساختمان و زیرساخت، تشخیص عیب، تشخیص گاز و غیره پیدا می کنند. دوربین های LWIR نقش مهمی در طول همه گیری COVID-19 ایفا کرده اند زیرا امکان اندازه گیری سریع و دقیق دمای بدن را فراهم می کنند.

5) راهنمای انتخاب بسترهای IR

مواد مادون قرمز دارای خواص متمایزی هستند که به آنها اجازه می دهد در طیف مادون قرمز به خوبی عمل کنند. سیلیس ذوب شده IR، ژرمانیوم، سیلیکون، یاقوت کبود، و سولفید روی/سلنید، هر کدام دارای نقاط قوتی برای کاربردهای مادون قرمز هستند.

سلنید روی (ZnSe)

سلنید روی یک ترکیب جامد به رنگ زرد روشن است که شامل روی و سلنیوم است. این ماده از سنتز بخار روی و گاز H2 Se ایجاد می شود که به صورت ورقه های روی یک بستر گرافیت تشکیل می شود. این به دلیل میزان جذب پایین آن شناخته شده است و امکان استفاده عالی از لیزرهای CO2 را فراهم می کند.

محدوده انتقال بهینه	برنامه های کاربردی ایده آل
0.6 - 16μm	لیزرهای CO2 و دماسنجی و طیف‌سنجی، لنزها، پنجره‌ها و سیستم‌های FLIR

ژرمانیوم (جنرال الکتریک)

ژرمانیوم دارای ظاهر دودی خاکستری تیره با ضریب شکست 4.024 با پراکندگی نوری کم است. چگالی قابل توجهی با سختی Knoop (kg/mm2): 780.00 دارد که به آن اجازه می دهد برای اپتیک میدانی در شرایط ناهموار عملکرد خوبی داشته باشد.

محدوده انتقال بهینه	برنامه های کاربردی ایده آل
2 - 16 میکرومتر	LWIR - MWIR تصویربرداری حرارتی (در صورت پوشش AR)، موقعیت‌های نوری ناهموار

سیلیکون (S)

سیلیکون ظاهر خاکستری آبی با ظرفیت حرارتی بالا دارد که آن را برای آینه های لیزری و ویفرهای سیلیکونی برای صنعت نیمه هادی ایده آل می کند. ضریب شکست 3.42 است. استفاده از اجزای سیلیکونی در دستگاه‌های الکترونیکی به این دلیل است که جریان‌های الکتریکی آن در مقایسه با سایر رساناها سریع‌تر از هادی‌های سیلیکونی عبور می‌کنند و چگالی آن کمتر از Ge یا ZnSe است. پوشش AR برای اکثر کاربردها توصیه می شود.

محدوده انتقال بهینه	برنامه های کاربردی ایده آل
1.2 - 8μm	MWIR، تصویربرداری NIR، طیف‌سنجی IR، سیستم‌های تشخیص MWIR

سولفید روی (ZnS)

سولفید روی یک انتخاب عالی برای سنسورهای مادون قرمز است که به خوبی در طیف IR و مرئی منتقل می شود. این معمولاً یک انتخاب مقرون به صرفه نسبت به سایر مواد IR است.

محدوده انتقال بهینه	برنامه های کاربردی ایده آل
0.6 - 18μm	LWIR - MWIR، حسگرهای مادون قرمز مرئی و موج میانی یا بلند

انتخاب زیرلایه و پوشش ضد انعکاس شما بستگی به این دارد که کدام طول موج در کاربرد شما به انتقال اولیه نیاز دارد. به عنوان مثال، اگر نور مادون قرمز را در محدوده MWIR ارسال می کنید، ژرمانیوم ممکن است انتخاب خوبی باشد. برای کاربردهای NIR، یاقوت کبود ممکن است ایده آل باشد.

سایر مشخصاتی که ممکن است بخواهید در انتخاب اپتیک مادون قرمز در نظر بگیرید شامل خواص حرارتی و ضریب شکست است. خواص حرارتی یک بستر نحوه واکنش آن به گرما را کمیت می کند. اغلب، عناصر نوری مادون قرمز در معرض دماهای بسیار متفاوتی قرار می گیرند. برخی از برنامه های IR نیز مقدار زیادی گرما تولید می کنند. برای تعیین اینکه آیا یک بستر IR برای کاربرد شما مناسب است یا خیر، باید گرادیان شاخص و ضریب انبساط حرارتی (CTE) را بررسی کنید. اگر یک بستر معین دارای گرادیان شاخص بالایی باشد، ممکن است هنگام استفاده در یک محیط فرار حرارتی، عملکرد نوری کمتر از حد مطلوبی داشته باشد. اگر CTE بالایی داشته باشد، با توجه به تغییر زیاد دما، ممکن است با سرعت بالایی منبسط یا منقبض شود. موادی که اغلب در اپتیک مادون قرمز مورد استفاده قرار می گیرند از نظر ضریب شکست بسیار متفاوت هستند. به عنوان مثال، ژرمانیوم دارای ضریب شکست 40003 است، در حالی که برای MgF 1.413 است. در دسترس بودن بسترهایی با این محدوده وسیع از ضریب شکست، انعطاف پذیری بیشتری در طراحی سیستم می دهد. پراکندگی یک ماده IR تغییر در شاخص طول موج با توجه به طول موج و همچنین انحراف رنگی یا جدایی طول موج را اندازه گیری می کند. پراکندگی به طور معکوس با عدد Abbe تعیین می شود که به عنوان نسبت ضریب شکست در طول موج d منهای 1 بر اختلاف بین ضریب شکست در خطوط f و c تعریف می شود. اگر یک زیرلایه دارای عدد Abbe بیشتر از 55 باشد، پراکندگی کمتری دارد و به آن ماده تاج می گوییم. زیرلایه های پراکنده تر با اعداد Abbe کمتر از 55 مواد سنگ چخماق نامیده می شوند.

کاربردهای اپتیک مادون قرمز

اپتیک مادون قرمز در بسیاری از زمینه ها کاربرد دارد، از لیزرهای پرقدرت CO2 که در 10.6 میکرومتر کار می کنند تا دوربین های تصویربرداری حرارتی دید در شب (باندهای MWIR و LWIR) و تصویربرداری IR. آنها همچنین در طیف سنجی مهم هستند، زیرا انتقال های مورد استفاده در شناسایی بسیاری از گازهای ردیابی در ناحیه مادون قرمز میانی است. ما اپتیک خط لیزر و همچنین اجزای مادون قرمز را تولید می کنیم که در یک محدوده طول موج گسترده عملکرد خوبی دارند و تیم مجرب ما می تواند پشتیبانی و مشاوره طراحی کامل را ارائه دهد.

Paralight Optics از طیف وسیعی از تکنیک های پردازش پیشرفته مانند Single Point Diamond Turning و CNC پرداخت برای تولید لنزهای نوری با دقت بالا از سیلیکون، ژرمانیوم و سولفید روی استفاده می کند که در دوربین های MWIR و LWIR کاربرد دارند. ما قادر به دستیابی به دقت کمتر از 0.5 حاشیه PV و زبری در محدوده کمتر از 10 نانومتر هستیم.