1) Introduction à l'optique infrarouge
L'optique infrarouge est utilisée pour collecter, focaliser ou collimater la lumière dans la plage de longueurs d'onde comprise entre 760 et 14 000 nm. Cette partie du rayonnement IR est divisée en quatre plages spectrales différentes :
| Plage proche infrarouge (NIR) | 700 – 900 nm |
| Portée infrarouge à ondes courtes (SWIR) | 900 – 2 300 nm |
| Gamme infrarouge à ondes moyennes (MWIR) | 3 000 à 5 000 nm |
| Portée infrarouge à ondes longues (LWIR) | 8 000 – 14 000 nm |
2) Infrarouge à ondes courtes (SWIR)
Les applications SWIR couvrent la plage de 900 à 2300 nm. Contrairement à la lumière MWIR et LWIR émise par l'objet lui-même, SWIR ressemble à la lumière visible dans le sens où les photons sont réfléchis ou absorbés par un objet, fournissant ainsi le contraste nécessaire pour une imagerie haute résolution. Les sources de lumière naturelle telles que la lumière ambiante de démarrage et le rayonnement d'arrière-plan (alias lueur nocturne) sont de tels émetteurs de SWIR et fournissent un excellent éclairage pour l'imagerie extérieure la nuit.
Un certain nombre d'applications problématiques ou impossibles à réaliser en utilisant la lumière visible sont réalisables avec SWIR. Lors de l'imagerie en SWIR, la vapeur d'eau, la fumée d'incendie, le brouillard et certains matériaux tels que le silicium sont transparents. De plus, les couleurs qui semblent presque identiques dans le visible peuvent être facilement différenciées à l'aide de SWIR.
L'imagerie SWIR est utilisée à des fins multiples telles que l'inspection des cartes électroniques et des cellules solaires, l'inspection des produits, l'identification et le tri, la surveillance, la lutte contre la contrefaçon, le contrôle qualité des processus et bien plus encore.
3) Infrarouge à ondes moyennes (MWIR)
Les systèmes MWIR fonctionnent dans la plage de 3 à 5 microns. Au moment de choisir entre les systèmes MWIR et LWIR, il faut prendre en compte plusieurs facteurs. Premièrement, les constituants atmosphériques locaux comme l’humidité et le brouillard doivent être pris en compte. Les systèmes MWIR sont moins affectés par l'humidité que les systèmes LWIR, ils sont donc supérieurs pour des applications telles que la surveillance côtière, la surveillance du trafic maritime ou la protection des ports.
Le MWIR a une transmission atmosphérique plus importante que le LWIR dans la plupart des climats. Par conséquent, le MWIR est généralement préférable pour les applications de surveillance à très longue portée dépassant 10 km de distance de l'objet.
De plus, MWIR est également une meilleure option si vous souhaitez détecter des objets à haute température tels que des véhicules, des avions ou des missiles. Dans l’image ci-dessous, on peut voir que les panaches d’échappement chauds sont nettement plus visibles dans le MWIR que dans le LWIR.
4) Infrarouge à ondes longues (LWIR)
Les systèmes LWIR fonctionnent dans la plage de 8 à 14 microns. Ils sont préférés pour les applications avec des objets à température proche de la pièce. Les caméras LWIR sont moins affectées par le soleil et donc mieux adaptées à un fonctionnement en extérieur. Il s'agit généralement de systèmes non refroidis utilisant des microbolomètres Focal Plane Array, bien que des caméras LWIR refroidies existent également et utilisent des détecteurs au mercure cadmium tellure (MCT). En revanche, la majorité des caméras MWIR nécessitent un refroidissement, utilisant soit de l'azote liquide, soit un refroidisseur à cycle Stirling.
Les systèmes LWIR trouvent un grand nombre d'applications telles que l'inspection des bâtiments et des infrastructures, la détection de défauts, la détection de gaz et bien plus encore. Les caméras LWIR ont joué un rôle important pendant la pandémie de COVID-19 car elles permettent une mesure rapide et précise de la température corporelle.
5) Guide de sélection des substrats IR
Les matériaux IR ont des propriétés distinctes qui leur permettent de bien fonctionner dans le spectre infrarouge. La silice fondue IR, le germanium, le silicium, le saphir et le sulfure/séléniure de zinc ont chacun des atouts pour les applications infrarouges.
Séléniure de zinc (ZnSe)
Le séléniure de zinc est un composé solide jaune clair comprenant du zinc et du sélénium. Il est créé par synthèse de vapeur de zinc et de gaz H2 Se, formant des feuilles sur un substrat de graphite. Il est connu pour son faible taux d’absorption et qui permet d’excellentes utilisations des lasers CO2.
| Plage de transmission optimale | Applications idéales |
| 0,6 - 16 μm | Lasers CO2 et thermométrie et spectroscopie, lentilles, fenêtres et systèmes FLIR |
Germanium (Ge)
Le germanium a un aspect fumé gris foncé avec un indice de réfraction de 4,024 avec une faible dispersion optique. Il a une densité considérable avec une dureté Knoop (kg/mm2) : 780,00 lui permettant de bien fonctionner pour l'optique de terrain dans des conditions difficiles.
| Plage de transmission optimale | Applications idéales |
| 2 - 16 μm | LWIR - MWIR Imagerie thermique (avec revêtement AR), situations optiques difficiles |
Silicium (S)
Le silicium a un aspect bleu-gris avec une capacité thermique élevée qui le rend idéal pour les miroirs laser et les plaquettes de silicium pour l'industrie des semi-conducteurs. Il a un indice de réfraction de 3,42. Les composants en silicium sont utilisés dans les appareils électroniques car leurs courants électriques peuvent passer à travers les conducteurs en silicium beaucoup plus rapidement que les autres conducteurs ; ils sont moins denses que le Ge ou le ZnSe. Le revêtement AR est recommandé pour la plupart des applications.
| Plage de transmission optimale | Applications idéales |
| 1,2 - 8 μm | MWIR, imagerie NIR, spectroscopie IR, systèmes de détection MWIR |
Sulfure de zinc (ZnS)
Le sulfure de zinc est un excellent choix pour les capteurs infrarouges, il transmet bien dans le spectre infrarouge et visible. Il s'agit généralement d'un choix rentable par rapport aux autres matériaux IR.
| Plage de transmission optimale | Applications idéales |
| 0,6 - 18 μm | LWIR - MWIR, capteurs visibles et infrarouges à ondes moyennes ou longues |
Votre choix de substrat et de revêtement antireflet dépendra de la longueur d'onde qui nécessite une transmission optimale dans votre application. Par exemple, si vous transmettez de la lumière IR dans la plage MWIR, le germanium peut être un bon choix. Pour les applications NIR, le saphir peut être idéal.
D'autres spécifications que vous voudrez peut-être prendre en compte dans votre choix d'optique infrarouge incluent les propriétés thermiques et l'indice de réfraction. Les propriétés thermiques d'un substrat quantifient la façon dont il réagit à la chaleur. Souvent, les éléments optiques infrarouges sont exposés à des températures très variables. Certaines applications IR produisent également une grande quantité de chaleur. Pour déterminer si un substrat IR convient à votre application, vous souhaiterez vérifier le gradient d'indice et le coefficient de dilatation thermique (CTE). Si un substrat donné présente un gradient d'indice élevé, il peut avoir des performances optiques sous-optimales lorsqu'il est utilisé dans un environnement thermiquement volatil. S'il a un CTE élevé, il peut se dilater ou se contracter à un rythme élevé en raison d'un changement important de température. Les matériaux les plus souvent utilisés en optique infrarouge varient considérablement en termes d'indice de réfraction. Le germanium, par exemple, a un indice de réfraction de 4,0003, contre 1,413 pour le MgF. La disponibilité de substrats avec cette large gamme d'indices de réfraction offre une flexibilité supplémentaire dans la conception du système. La dispersion d'un matériau IR mesure le changement d'indice de longueur d'onde par rapport à la longueur d'onde ainsi que l'aberration chromatique, ou la séparation des longueurs d'onde. La dispersion est quantifiée inversement avec le nombre d'Abbe, qui est défini comme le rapport de l'indice de réfraction à la longueur d'onde d moins 1, sur la différence entre l'indice de réfraction aux raies f et c. Si un substrat a un nombre d'Abbe supérieur à 55, il est moins dispersif et nous l'appelons un matériau de couronne. Les substrats plus dispersifs avec des nombres d'Abbe inférieurs à 55 sont appelés matériaux en silex.
Applications de l'optique infrarouge
L'optique infrarouge a des applications dans de nombreux domaines, depuis les lasers CO2 haute puissance, qui fonctionnent à 10,6 μm, jusqu'aux caméras thermiques à vision nocturne (bandes MWIR et LWIR) et à l'imagerie IR. Ils sont également importants en spectroscopie, car les transitions utilisées pour identifier de nombreux gaz traces se situent dans la région du moyen infrarouge. Nous produisons des lignes optiques laser ainsi que des composants infrarouges qui fonctionnent bien sur une large gamme de longueurs d'onde, et notre équipe expérimentée peut fournir une assistance et des conseils complets en matière de conception.
Paralight Optics utilise une gamme de techniques de traitement avancées telles que le tournage diamant à point unique et le polissage CNC pour produire des lentilles optiques de haute précision à partir de silicium, de germanium et de sulfure de zinc qui trouvent des applications dans les caméras MWIR et LWIR. Nous sommes en mesure d’atteindre des précisions inférieures à 0,5 frange PV et une rugosité de l’ordre de moins de 10 nm.
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Heure de publication : 25 avril 2023
