Co to jest optyka na podczerwień?

1) Wprowadzenie do optyki w podczerwieni

Optyka podczerwieni służy do zbierania, skupiania i kolimacji światła w zakresie długości fal od 760 do 14 000 nm. Ta część promieniowania podczerwonego jest dalej podzielona na cztery różne zakresy widmowe:

Zasięg bliskiej podczerwieni (NIR)	700 – 900 nm
Zasięg podczerwieni krótkofalowej (SWIR)	900 – 2300 nm
Zasięg podczerwieni średniofalowej (MWIR)	3000 – 5000 nm
Zasięg podczerwieni długofalowej (LWIR)	8000 – 14000 nm

2) Krótkofalowa podczerwień (SWIR)

Zastosowania SWIR obejmują zakres od 900 do 2300 nm. W przeciwieństwie do światła MWIR i LWIR emitowanego przez sam obiekt, SWIR przypomina światło widzialne w tym sensie, że fotony są odbijane lub pochłaniane przez obiekt, zapewniając w ten sposób kontrast niezbędny do obrazowania o wysokiej rozdzielczości. Naturalne źródła światła, takie jak światło początkowe otoczenia i promieniowanie tła (inaczej poświata nocna), są takimi emiterami SWIR i zapewniają doskonałe oświetlenie do fotografowania na zewnątrz w nocy.

Za pomocą SWIR można zrealizować wiele zastosowań, które są problematyczne lub niemożliwe do wykonania przy użyciu światła widzialnego. Podczas obrazowania w formacie SWIR przezroczysta jest para wodna, dym pożarowy, mgła i niektóre materiały, takie jak krzem. Dodatkowo kolory, które w świetle widzialnym wydają się prawie identyczne, można łatwo rozróżnić za pomocą SWIR.

Obrazowanie SWIR jest wykorzystywane do wielu celów, takich jak kontrola płytek elektronicznych i ogniw słonecznych, kontrola produkcji, identyfikacja i sortowanie, nadzór, zapobieganie podrabianiu, kontrola jakości procesów i nie tylko.

3) Podczerwień średniofalowa (MWIR)

Systemy MWIR działają w zakresie od 3 do 5 mikronów. Decydując się pomiędzy systemami MWIR i LWIR należy wziąć pod uwagę kilka czynników. Po pierwsze, należy wziąć pod uwagę lokalne składniki atmosfery, takie jak wilgotność i mgła. Systemy MWIR są mniej wrażliwe na wilgoć niż systemy LWIR, dlatego doskonale nadają się do zastosowań takich jak nadzór wybrzeża, nadzór ruchu statków lub ochrona portów.

W większości klimatów MWIR ma większą transmisję atmosferyczną niż LWIR. Dlatego też MWIR jest ogólnie preferowany w zastosowaniach dozorowych o bardzo dużym zasięgu, przekraczających odległość 10 km od obiektu.

Co więcej, MWIR jest również lepszą opcją, jeśli chcesz wykryć obiekty o wysokiej temperaturze, takie jak pojazdy, samoloty lub rakiety. Na poniższym obrazku widać, że gorące smugi spalin są znacznie bardziej widoczne w MWIR niż w LWIR.

4) Podczerwień długofalowa (LWIR)

Systemy LWIR działają w zakresie od 8 do 14 mikronów. Są preferowane do zastosowań z obiektami o temperaturze zbliżonej do pokojowej. Kamery LWIR są mniej podatne na działanie słońca i dlatego lepiej nadają się do pracy na zewnątrz. Są to zazwyczaj systemy niechłodzone wykorzystujące mikrobolometry z matrycą ogniskową, chociaż istnieją również chłodzone kamery LWIR, które wykorzystują detektory rtęciowo-kadmowo-tellurowe (MCT). Natomiast większość kamer MWIR wymaga chłodzenia przy użyciu ciekłego azotu lub chłodnicy z cyklem Stirlinga.

Systemy LWIR znajdują szerokie zastosowanie, takie jak inspekcja budynków i infrastruktury, wykrywanie usterek, wykrywanie gazów i inne. Kamery LWIR odegrały ważną rolę podczas pandemii COVID-19, ponieważ umożliwiają szybki i dokładny pomiar temperatury ciała.

5) Przewodnik wyboru substratów IR

Materiały IR mają odrębne właściwości, które pozwalają im dobrze działać w widmie podczerwieni. Krzemionka topiona w podczerwieni, german, krzem, szafir i siarczek/selenek cynku, każdy z nich ma mocne strony do zastosowań w podczerwieni.

Selenek Cynku (ZnSe)

Selenek cynku jest jasnożółtym, stałym związkiem zawierającym cynk i selen. Powstaje w wyniku syntezy par cynku i gazowego H2Se, tworząc arkusze na podłożu grafitowym. Jest znany ze swojego niskiego współczynnika absorpcji, co pozwala na doskonałe zastosowanie w laserach CO2.

Optymalny zasięg transmisji	Idealne zastosowania
0,6 - 16μm	Lasery CO2 oraz termometria i spektroskopia, soczewki, okna i systemy FLIR

German (Ge)

German ma ciemnoszary, zadymiony wygląd, współczynnik załamania światła 4,024 i niską dyspersję optyczną. Ma znaczną gęstość i twardość Knoopa (kg/mm2): 780,00, dzięki czemu dobrze sprawdza się w optyce polowej w trudnych warunkach.

Optymalny zasięg transmisji	Idealne zastosowania
2 - 16μm	LWIR - MWIR Obrazowanie termowizyjne (z powłoką AR), trudne warunki optyczne

Krzem (S)

Krzem ma niebieskoszary wygląd i wysoką pojemność cieplną, co czyni go idealnym do zwierciadeł laserowych i płytek krzemowych dla przemysłu półprzewodników. Ma współczynnik załamania światła 3,42. Elementy krzemowe są stosowane w urządzeniach elektronicznych, ponieważ ich prądy elektryczne mogą przepływać przez przewodniki krzemowe znacznie szybciej w porównaniu do innych przewodników, mają mniejszą gęstość niż Ge lub ZnSe. Do większości zastosowań zalecana jest powłoka AR.

Optymalny zasięg transmisji	Idealne zastosowania
1,2 - 8μm	Obrazowanie MWIR, NIR, spektroskopia IR, systemy detekcji MWIR

Siarczek Cynku (ZnS)

Siarczek cynku to doskonały wybór dla czujników podczerwieni, dobrze przepuszcza w podczerwieni i widmie widzialnym. Jest to zazwyczaj opłacalny wybór w porównaniu z innymi materiałami IR.

Optymalny zasięg transmisji	Idealne zastosowania
0,6 - 18μm	LWIR - MWIR, czujniki podczerwieni widzialne, średniofalowe lub długofalowe

Wybór podłoża i powłoki przeciwodblaskowej będzie zależał od tego, która długość fali wymaga podstawowej transmitancji w danym zastosowaniu. Na przykład, jeśli transmitujesz światło podczerwone w zakresie MWIR, dobrym wyborem może być german. Do zastosowań NIR szafir może być idealny.

Inne specyfikacje, które warto wziąć pod uwagę przy wyborze optyki na podczerwień, obejmują właściwości termiczne i współczynnik załamania światła. Właściwości termiczne podłoża określają ilościowo jego reakcję na ciepło. Często elementy optyczne podczerwieni będą narażone na działanie bardzo zróżnicowanych temperatur. Niektóre zastosowania podczerwieni wytwarzają również dużą ilość ciepła. Aby określić, czy podłoże IR jest odpowiednie dla Twojego zastosowania, należy sprawdzić gradient indeksu i współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE). Jeśli dane podłoże ma wysoki gradient indeksu, może mieć suboptymalne właściwości optyczne, gdy jest stosowane w środowisku niestabilnym termicznie. Jeśli ma wysoki współczynnik CTE, może rozszerzać się lub kurczyć z dużą szybkością, biorąc pod uwagę dużą zmianę temperatury. Materiały najczęściej stosowane w optyce podczerwieni znacznie różnią się współczynnikiem załamania światła. Na przykład german ma współczynnik załamania światła 4,0003 w porównaniu z 1,413 dla MgF. Dostępność podłoży o tak szerokim zakresie współczynnika załamania światła zapewnia dodatkową elastyczność w projektowaniu systemu. Dyspersja materiału IR mierzy zmianę wskaźnika długości fali w odniesieniu do długości fali, a także aberrację chromatyczną lub separację długości fali. Dyspersję określa się odwrotnie, za pomocą liczby Abbego, która jest zdefiniowana jako stosunek współczynnika załamania światła przy długości fali d minus 1, do różnicy między współczynnikiem załamania światła na liniach f i c. Jeśli podłoże ma liczbę Abbego większą niż 55, jest mniej dyspersyjne i nazywamy je materiałem na korony. Podłoża bardziej dyspersyjne o liczbie Abbego mniejszej niż 55 nazywane są materiałami krzemiennymi.

Zastosowania optyki podczerwieni

Optyka podczerwieni ma zastosowanie w wielu dziedzinach, począwszy od laserów CO2 dużej mocy, pracujących na długości fali 10,6 μm, po noktowizyjne kamery termowizyjne (pasma MWIR i LWIR) oraz obrazowanie w podczerwieni. Są one również ważne w spektroskopii, ponieważ przejścia stosowane do identyfikacji wielu gazów śladowych znajdują się w obszarze średniej podczerwieni. Produkujemy optykę linii laserowych, a także komponenty podczerwieni, które dobrze sprawdzają się w szerokim zakresie długości fal, a nasz doświadczony zespół może zapewnić pełne wsparcie projektowe i konsultacje.

Paralight Optics wykorzystuje szereg zaawansowanych technik przetwarzania, takich jak toczenie diamentowe jednopunktowe i polerowanie CNC, w celu produkcji precyzyjnych soczewek optycznych z krzemu, germanu i siarczku cynku, które znajdują zastosowanie w kamerach MWIR i LWIR. Jesteśmy w stanie osiągnąć dokładność poniżej 0,5 prążka PV i chropowatość w zakresie poniżej 10 nm.