Što je infracrvena optika?

1) Uvod u infracrvenu optiku

Infracrvena optika koristi se za prikupljanje, fokusiranje ili kolimiranje svjetlosti u rasponu valnih duljina između 760 i 14 000 nm. Ovaj dio IR zračenja dalje je podijeljen u četiri različita spektralna područja:

$Infracrvena optika$

Bliski infracrveni raspon (NIR)	700 – 900 nm
Kratkovalni infracrveni raspon (SWIR)	900 – 2300 nm
Srednjovalni infracrveni raspon (MWIR)	3000 – 5000 nm
Dugovalni infracrveni raspon (LWIR)	8000 – 14000 nm

2) Kratkovalni infracrveni (SWIR)

SWIR aplikacije pokrivaju raspon od 900 do 2300 nm. Za razliku od MWIR i LWIR svjetlosti koja se emitira iz samog objekta, SWIR nalikuje vidljivoj svjetlosti u smislu da se fotoni reflektiraju ili apsorbiraju od strane objekta, čime se osigurava potreban kontrast za slike visoke rezolucije. Prirodni izvori svjetlosti kao što je ambijentalno početno svjetlo i pozadinsko zračenje (tzv. noćno svjetlo) takvi su emiteri SWIR-a i daju izvrsno osvjetljenje za snimanje na otvorenom noću.

Brojne aplikacije koje su problematične ili nemoguće izvoditi pomoću vidljivog svjetla izvedive su pomoću SWIR-a. Prilikom snimanja u SWIR-u, vodena para, dim vatre, magla i određeni materijali poput silicija su prozirni. Osim toga, boje koje izgledaju gotovo identične u vidljivom dijelu mogu se lako razlikovati pomoću SWIR-a.

SWIR snimanje koristi se za višestruke svrhe kao što je inspekcija elektroničkih ploča i solarnih ćelija, inspekcija proizvoda, identifikacija i sortiranje, nadzor, zaštita od krivotvorina, kontrola kvalitete procesa i više.

3) Srednjovalni infracrveni (MWIR)

MWIR sustavi rade u rasponu od 3 do 5 mikrona. Prilikom odlučivanja između MWIR i LWIR sustava potrebno je uzeti u obzir nekoliko čimbenika. Prvo, moraju se uzeti u obzir lokalni atmosferski sastojci poput vlage i magle. MWIR sustavi manje su pod utjecajem vlage nego LWIR sustavi, tako da su bolji za primjene kao što su obalni nadzor, nadzor prometa plovila ili zaštita luka.

MWIR ima veći atmosferski prijenos od LWIR u većini klimatskih područja. Stoga je MWIR općenito poželjniji za aplikacije nadzora na velikim udaljenostima koje prelaze 10 km udaljenosti od objekta.

Štoviše, MWIR je također bolja opcija ako želite otkriti objekte visoke temperature kao što su vozila, zrakoplovi ili projektili. Na slici ispod može se vidjeti da su vrući ispušni plinovi znatno vidljiviji u MWIR nego u LWIR.

4) Dugovalni infracrveni (LWIR)

LWIR sustavi rade u rasponu od 8 do 14 mikrona. Poželjni su za primjene s objektima blizu sobne temperature. LWIR kamere manje su izložene suncu i stoga su bolje za rad na otvorenom. Obično su to nehlađeni sustavi koji koriste mikrobolometre žarišne ravnine, iako postoje i hlađene LWIR kamere koje koriste Mercury Cadmium Telurium (MCT) detektore. Nasuprot tome, većina MWIR kamera zahtijeva hlađenje, korištenjem ili tekućeg dušika ili hladnjaka Stirlingovog ciklusa.

LWIR sustavi nalaze široki broj primjena kao što su inspekcija zgrada i infrastrukture, detekcija kvarova, detekcija plina i više. LWIR kamere odigrale su važnu ulogu tijekom pandemije COVID-19 jer omogućuju brzo i točno mjerenje tjelesne temperature.

5) Vodič za odabir IR supstrata

IR materijali imaju različita svojstva koja im omogućuju dobru izvedbu u infracrvenom spektru. IR stopljeni silicijev dioksid, germanij, silicij, safir i cink sulfid/selenid, svaki ima snage za infracrvene primjene.

Cinkov selenid (ZnSe)

Cinkov selenid je svijetložuti čvrsti spoj koji se sastoji od cinka i selena. Nastaje sintezom cinkove pare i H2 Se plina, formirajući se kao ploče na grafitnoj podlozi. Poznat je po svojoj niskoj stopi apsorpcije i omogućuje izvrsnu upotrebu CO2 lasera.

Optimalni domet prijenosa	Idealne aplikacije
0,6 - 16 μm	CO2 laseri i termometrija i spektroskopija, leće, prozori i FLIR sustavi

germanij (Ge)

Germanij ima tamno sivi dimni izgled s indeksom loma 4,024 s niskom optičkom disperzijom. Ima značajnu gustoću s Knoop tvrdoćom (kg/mm2): 780,00 što mu omogućuje dobru izvedbu za optiku polja u teškim uvjetima.

Optimalni domet prijenosa	Idealne aplikacije
2 - 16 μm	LWIR - MWIR Toplinsko snimanje (kada je presvučeno AR), otporne optičke situacije

Silicij (S)

Silicij ima plavo-sivi izgled s visokim toplinskim kapacitetom što ga čini idealnim za laserska zrcala i silicijske pločice za industriju poluvodiča. Ima indeks loma 3,42. Komponente silicija koriste se u elektroničkim uređajima zato što njegove električne struje mogu puno brže proći kroz silicijske vodiče u usporedbi s drugim vodičima, manje je gustoće od Ge ili ZnSe. AR premaz se preporučuje za većinu primjena.

Optimalni domet prijenosa	Idealne aplikacije
1,2 - 8μm	MWIR, NIR snimanje, IR spektroskopija, MWIR sustavi detekcije

Cinkov sulfid (ZnS)

Cinkov sulfid izvrstan je izbor za infracrvene senzore jer dobro propušta IC i vidljivi spektar. Obično je isplativ izbor u odnosu na druge IR materijale.

Optimalni domet prijenosa	Idealne aplikacije
0,6 - 18 μm	LWIR - MWIR, vidljivi i srednjovalni ili dugovalni infracrveni senzori

Vaš izbor podloge i antirefleksijskog premaza ovisit će o tome koja valna duljina zahtijeva glavnu propusnost u vašoj aplikaciji. Na primjer, ako odašiljete IR svjetlost u MWIR rasponu, germanij bi mogao biti dobar izbor. Za NIR aplikacije, safir može biti idealan.

Druge specifikacije koje biste mogli uzeti u obzir pri odabiru infracrvene optike uključuju toplinska svojstva i indeks loma. Toplinska svojstva podloge određuju kako ona reagira na toplinu. Često će infracrveni optički elementi biti izloženi vrlo različitim temperaturama. Neke IR aplikacije također proizvode veliku količinu topline. Kako biste odredili je li IR podloga prikladna za vašu primjenu, provjerite indeksni gradijent i koeficijent toplinske ekspanzije (CTE). Ako određeni supstrat ima visok gradijent indeksa, može imati suboptimalne optičke performanse kada se koristi u termički nestabilnom okruženju. Ako ima visok CTE, može se širiti ili skupljati velikom brzinom s obzirom na veliku promjenu temperature. Materijali koji se najčešće koriste u infracrvenoj optici jako variraju u indeksu loma. Germanij, na primjer, ima indeks refrakcije 4,0003, u usporedbi s 1,413 za MgF. Dostupnost supstrata s ovim širokim rasponom indeksa loma daje dodatnu fleksibilnost u dizajnu sustava. Disperzija IR materijala mjeri promjenu indeksa valne duljine s obzirom na valnu duljinu kao i kromatsku aberaciju ili odvajanje valne duljine. Disperzija se kvantificira, obrnuto, s Abbeovim brojem, koji je definiran kao omjer indeksa loma na d valnoj duljini minus 1, u odnosu na razliku između indeksa loma na f i c linijama. Ako supstrat ima Abbeov broj veći od 55, manje je disperzivan i nazivamo ga krunskim materijalom. Disperzivnije podloge s Abbeovim brojevima manjim od 55 nazivaju se kremeni materijali.

Primjene infracrvene optike

Infracrvena optika ima primjenu u mnogim područjima, od CO2 lasera velike snage, koji rade na 10,6 μm, do kamera za noćno gledanje s termalnim slikama (MWIR i LWIR pojasevi) i IR snimanja. Oni su također važni u spektroskopiji, budući da su prijelazi koji se koriste u identifikaciji mnogih tragova plinova u srednjem infracrvenom području. Proizvodimo lasersku linijsku optiku kao i infracrvene komponente koje dobro funkcioniraju u širokom rasponu valnih duljina, a naš iskusni tim može pružiti potpunu podršku dizajna i savjetovanje.

Paralight Optics koristi niz naprednih tehnika obrade kao što je Single Point Diamond Turning i CNC poliranje za proizvodnju visokopreciznih optičkih leća od silicija, germanija i cinkovog sulfida koje nalaze primjenu u MWIR i LWIR kamerama. U mogućnosti smo postići točnost manju od 0,5 rubova PV i hrapavost u rasponu manju od 10 nm.