Wat is infraroodoptiek?

1) Inleiding tot infraroodoptiek

Infraroodoptiek wordt gebruikt voor het verzamelen, focusseren of collimeren van licht in het golflengtebereik tussen 760 en 14.000 nm. Dit deel van de IR-straling is verder onderverdeeld in vier verschillende spectrale bereiken:

Nabij-infraroodbereik (NIR)	700 – 900 nm
Kortegolf-infraroodbereik (SWIR)	900 – 2300 nm
Middengolf infraroodbereik (MWIR)	3000 – 5000 nm
Langegolf-infraroodbereik (LWIR)	8000 – 14000 nm

2) Kortegolf-infrarood (SWIR)

SWIR-toepassingen bestrijken het bereik van 900 tot 2300 nm. In tegenstelling tot MWIR- en LWIR-licht dat door het object zelf wordt uitgezonden, lijkt SWIR op zichtbaar licht in de zin dat fotonen worden gereflecteerd of geabsorbeerd door een object, waardoor het noodzakelijke contrast wordt geboden voor beeldvorming met hoge resolutie. Natuurlijke lichtbronnen zoals omgevingsstartlicht en achtergrondstraling (ook wel nightglow genoemd) zijn zulke zenders van SWIR en leveren uitstekende verlichting voor nachtelijke beelden buitenshuis.

Een aantal toepassingen die met zichtbaar licht problematisch of onmogelijk uit te voeren zijn, zijn haalbaar met behulp van SWIR. Bij beeldvorming in SWIR zijn waterdamp, brandrook, mist en bepaalde materialen zoals silicium transparant. Bovendien kunnen kleuren die in het zichtbare gebied vrijwel identiek lijken, gemakkelijk worden onderscheiden met behulp van SWIR.

SWIR-beeldvorming wordt voor meerdere doeleinden gebruikt, zoals inspectie van elektronische borden en zonnecellen, inspectie van producten, identificatie en sortering, bewaking, namaakbestrijding, proceskwaliteitscontrole en meer.

3) Middengolf-infrarood (MWIR)

MWIR-systemen werken in het bereik van 3 tot 5 micron. Bij het kiezen tussen MWIR- en LWIR-systemen moet rekening worden gehouden met verschillende factoren. Ten eerste moeten de lokale atmosferische bestanddelen zoals vochtigheid en mist in aanmerking worden genomen. MWIR-systemen worden minder beïnvloed door vocht dan LWIR-systemen, dus ze zijn superieur voor toepassingen zoals kustbewaking, bewaking van het scheepvaartverkeer of havenbescherming.

MWIR heeft in de meeste klimaten een grotere atmosferische transmissie dan LWIR. Daarom verdient MWIR over het algemeen de voorkeur voor bewakingstoepassingen over zeer lange afstanden op een afstand van meer dan 10 km van het object.

Bovendien is MWIR ook een betere optie als u objecten met een hoge temperatuur wilt detecteren, zoals voertuigen, vliegtuigen of raketten. In de onderstaande afbeelding is te zien dat de hete uitlaatpluimen aanzienlijk beter zichtbaar zijn in de MWIR dan in de LWIR.

4) Langegolf-infrarood (LWIR)

LWIR-systemen werken in het bereik van 8 tot 14 micron. Ze hebben de voorkeur voor toepassingen met objecten in de buurt van kamertemperatuur. LWIR-camera's worden minder beïnvloed door de zon en zijn daarom beter geschikt voor gebruik buitenshuis. Het zijn doorgaans ongekoelde systemen die gebruik maken van Focal Plane Array-microbolometers, hoewel er ook gekoelde LWIR-camera's bestaan en ze Mercury Cadmium Tellurium (MCT) -detectoren gebruiken. Daarentegen heeft het merendeel van de MWIR-camera's koeling nodig, waarbij gebruik wordt gemaakt van vloeibare stikstof of een Stirling-cycluskoeler.

LWIR-systemen vinden een groot aantal toepassingen, zoals inspectie van gebouwen en infrastructuur, defectdetectie, gasdetectie en meer. LWIR-camera's hebben een belangrijke rol gespeeld tijdens de COVID-19-pandemie, omdat ze een snelle en nauwkeurige meting van de lichaamstemperatuur mogelijk maken.

5) Selectiegids voor IR-substraten

IR-materialen hebben verschillende eigenschappen waardoor ze goed kunnen presteren in het infraroodspectrum. IR-gesmolten silica, germanium, silicium, saffier en zinksulfide/selenide, elk heeft sterke punten voor infraroodtoepassingen.

Zinkselenide (ZnSe)

Zinkselenide is een lichtgele, vaste verbinding bestaande uit zink en selenium. Het ontstaat door de synthese van zinkdamp en H2Se-gas en vormt zich als platen op een grafietsubstraat. Het staat bekend om zijn lage absorptiesnelheid en maakt uitstekende toepassingen voor CO2-lasers mogelijk.

Optimaal transmissiebereik	Ideale toepassingen
0,6 - 16 μm	CO2-lasers en thermometrie en spectroscopie, lenzen, ramen en FLIR-systemen

Germanium (Ge)

Germanium heeft een donkergrijs rokerig uiterlijk met een brekingsindex van 4,024 met lage optische dispersie. Het heeft een aanzienlijke dichtheid met een Knoophardheid (kg/mm2): 780,00, waardoor het goed presteert voor veldoptica in ruige omstandigheden.

Optimaal transmissiebereik	Ideale toepassingen
2 - 16 μm	LWIR - MWIR Thermische beeldvorming (wanneer AR-gecoat), robuuste optische situaties

Silicium (S)

Silicium heeft een blauwgrijs uiterlijk met een hoge thermische capaciteit, waardoor het ideaal is voor laserspiegels en siliciumwafels voor de halfgeleiderindustrie. Het heeft een brekingsindex van 3,42. Siliciumcomponenten worden gebruikt in elektronische apparaten. Omdat de elektrische stromen veel sneller via de siliciumgeleiders kunnen gaan in vergelijking met andere geleiders, is het minder dicht dan Ge of ZnSe. AR-coating wordt aanbevolen voor de meeste toepassingen.

Optimaal transmissiebereik	Ideale toepassingen
1,2 - 8 μm	MWIR, NIR-beeldvorming, IR-spectroscopie, MWIR-detectiesystemen

Zinksulfide (ZnS)

Zinksulfide is een uitstekende keuze voor infraroodsensoren en verzendt goed in het IR- en zichtbare spectrum. Het is doorgaans een kosteneffectieve keuze ten opzichte van andere IR-materialen.

Optimaal transmissiebereik	Ideale toepassingen
0,6 - 18 μm	LWIR - MWIR, zichtbare en middengolf- of langegolf-infraroodsensoren

Uw keuze van substraat en antireflectiecoating zal afhangen van welke golflengte in uw toepassing een uitstekende transmissie vereist. Als u bijvoorbeeld IR-licht in het MWIR-bereik uitzendt, kan germanium een goede keuze zijn. Voor NIR-toepassingen kan saffier ideaal zijn.

Andere specificaties waarmee u mogelijk rekening wilt houden bij uw keuze voor infraroodoptiek zijn onder meer thermische eigenschappen en brekingsindex. De thermische eigenschappen van een substraat kwantificeren hoe het op warmte reageert. Vaak zullen optische infraroodelementen worden blootgesteld aan sterk variërende temperaturen. Sommige IR-toepassingen produceren ook een grote hoeveelheid warmte. Om te bepalen of een IR-substraat geschikt is voor uw toepassing, wilt u de indexgradiënt en de thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) controleren. Als een bepaald substraat een hoge indexgradiënt heeft, kan het suboptimale optische prestaties hebben bij gebruik in een thermisch vluchtige omgeving. Als het een hoge CTE heeft, kan het bij grote temperatuurschommelingen snel uitzetten of krimpen. De materialen die het meest worden gebruikt in infraroodoptiek variëren sterk in brekingsindex. Germanium heeft bijvoorbeeld een brekingsindex van 4,0003, vergeleken met 1,413 voor MgF. De beschikbaarheid van substraten met dit brede bereik van de brekingsindex geeft extra flexibiliteit in het systeemontwerp. De dispersie van een IR-materiaal meet de verandering in de golflengte-index ten opzichte van de golflengte, evenals de chromatische aberratie, of de scheiding van de golflengte. Dispersie wordt omgekeerd gekwantificeerd met het Abbe-getal, dat wordt gedefinieerd als de verhouding van de brekingsindex bij de d-golflengte minus 1, over het verschil tussen de brekingsindex bij de f- en c-lijnen. Als een substraat een Abbe-getal groter dan 55 heeft, is het minder verspreid en noemen we het een kroonmateriaal. Meer verspreide substraten met een Abbe-getal van minder dan 55 worden vuursteenmaterialen genoemd.

Toepassingen van infraroodoptica

Infraroodoptiek heeft toepassingen op vele terreinen, van krachtige CO2-lasers, die werken op 10,6 μm, tot nachtzicht-warmtebeeldcamera's (MWIR- en LWIR-banden) en IR-beeldvorming. Ze zijn ook belangrijk bij spectroscopie, omdat de overgangen die worden gebruikt bij het identificeren van veel sporengassen zich in het midden-infraroodgebied bevinden. Wij produceren laserlijnoptiek en infraroodcomponenten die goed presteren over een breed golflengtebereik, en ons ervaren team kan volledige ontwerpondersteuning en advies bieden.

Paralight Optics gebruikt een reeks geavanceerde verwerkingstechnieken zoals Single Point Diamond Turning en CNC-polijsten om uiterst nauwkeurige optische lenzen te produceren uit silicium, germanium en zinksulfide die toepassingen vinden in MWIR- en LWIR-camera's. We zijn in staat een nauwkeurigheid te bereiken van minder dan 0,5 Fringes PV en een ruwheid in het bereik van minder dan 10 nm.