Ce este optica în infraroșu?

1) Introducere în optică în infraroșu

Optica cu infraroșu este folosită pentru a colecta, focaliza sau colima lumina în intervalul de lungimi de undă între 760 și 14.000 nm. Această porțiune de radiație IR este împărțită în patru intervale spectrale diferite:

Gama de infraroșu apropiat (NIR)	700 – 900 nm
Interval de infraroșu cu unde scurte (SWIR)	900 – 2300 nm
Interval de infraroșu cu unde medii (MWIR)	3000 – 5000 nm
Interval de infraroșu cu unde lungi (LWIR)	8000 – 14000 nm

2) Infraroșu cu unde scurte (SWIR)

Aplicațiile SWIR acoperă intervalul de la 900 la 2300 nm. Spre deosebire de lumina MWIR și LWIR care este emisă de obiectul însuși, SWIR seamănă cu lumina vizibilă în sensul că fotonii sunt reflectați sau absorbiți de un obiect, oferind astfel contrastul necesar pentru imagini de înaltă rezoluție. Sursele de lumină naturală, cum ar fi lumina ambientală de pornire și strălucirea de fundal (alias strălucirea nopții) sunt astfel de emițători de SWIR și oferă o iluminare excelentă pentru imaginile în aer liber pe timp de noapte.

O serie de aplicații care sunt problematice sau imposibil de realizat folosind lumina vizibilă sunt fezabile folosind SWIR. Când se realizează imagini în SWIR, vaporii de apă, fumul de foc, ceața și anumite materiale, cum ar fi siliciul, sunt transparenți. În plus, culorile care apar aproape identice în vizibil pot fi ușor diferențiate folosind SWIR.

Imaginile SWIR sunt utilizate în scopuri multiple, cum ar fi inspecția plăcii electronice și a celulelor solare, inspecția produselor, identificarea și sortarea, supravegherea, combaterea contrafacerii, controlul calității procesului și multe altele.

3) Infraroșu cu undă mijlocie (MWIR)

Sistemele MWIR funcționează în intervalul de la 3 la 5 microni. Atunci când decideți între sistemele MWIR și LWIR, trebuie să luați în considerare mai mulți factori. În primul rând, trebuie luate în considerare componentele atmosferice locale, cum ar fi umiditatea și ceața. Sistemele MWIR sunt mai puțin afectate de umiditate decât sistemele LWIR, deci sunt superioare pentru aplicații precum supravegherea litoralului, supravegherea traficului de nave sau protecția portului.

MWIR are o transmisie atmosferică mai mare decât LWIR în majoritatea climatelor. Prin urmare, MWIR este, în general, de preferat pentru aplicațiile de supraveghere cu rază foarte lungă de acțiune, care depășesc o distanță de 10 km față de obiect.

Mai mult decât atât, MWIR este, de asemenea, o opțiune mai bună dacă doriți să detectați obiecte cu temperatură ridicată precum vehicule, avioane sau rachete. În imaginea de mai jos se poate observa că stropii fierbinți de evacuare sunt semnificativ mai vizibili în MWIR decât în LWIR.

4) Infraroșu cu unde lungi (LWIR)

Sistemele LWIR funcționează în intervalul de la 8 la 14 microni. Sunt preferate pentru aplicații cu obiecte la temperatura camerei. Camerele LWIR sunt mai puțin afectate de soare și, prin urmare, sunt mai bune pentru funcționarea în aer liber. Acestea sunt de obicei sisteme nerăcite care utilizează microbolometre Focal Plane Array, deși există și camere LWIR răcite și folosesc detectoare cu mercur cadmiu telur (MCT). În schimb, majoritatea camerelor MWIR necesită răcire, utilizând fie azot lichid, fie un răcitor cu ciclu Stirling.

Sistemele LWIR găsesc un număr mare de aplicații, cum ar fi inspecția clădirilor și a infrastructurii, detectarea defectelor, detectarea gazelor și multe altele. Camerele LWIR au jucat un rol important în timpul pandemiei de COVID-19, deoarece permit măsurarea rapidă și precisă a temperaturii corpului.

5) Ghid de selecție a substraturilor IR

Materialele IR au proprietăți distincte care le permit să funcționeze bine în spectrul infraroșu. Silice topită IR, germaniu, siliciu, safir și sulfură/seleniră de zinc, fiecare are puncte forte pentru aplicații în infraroșu.

Selenura de zinc (ZnSe)

Selenura de zinc este un compus solid, galben deschis, care cuprinde zinc și seleniu. Este creat prin sinteza vaporilor de zinc și a gazului H2Se, formându-se sub formă de foi pe un substrat de grafit. Este cunoscut pentru rata sa scăzută de absorbție și care permite utilizări excelente pentru laserele cu CO2.

Interval de transmisie optim	Aplicații ideale
0,6 - 16μm	Laser CO2 și termometrie și spectroscopie, lentile, ferestre și sisteme FLIR

Germaniu (Ge)

Germaniul are un aspect fumuriu gri închis, cu un indice de refracție de 4,024 cu dispersie optică scăzută. Are o densitate considerabilă cu o Duritate Knoop (kg/mm2): 780.00, permițându-i să funcționeze bine pentru optica de câmp în condiții dificile.

Interval de transmisie optim	Aplicații ideale
2 - 16μm	LWIR - MWIR Imagini termice (când acoperite cu AR), situații optice dificile

Siliciu (S)

Siliciul are aspect albastru-gri, cu o capacitate termică ridicată, ceea ce îl face ideal pentru oglinzile laser și wafer-urile de siliciu pentru industria semiconductoarelor. Are un indice de refracție de 3,42. Componentele de siliciu sunt utilizate în dispozitivele electronice deoarece curenții săi electrici pot trece prin conductorii de siliciu mult mai rapid în comparație cu alți conductori, este mai puțin dens decât Ge sau ZnSe. Acoperirea AR este recomandată pentru majoritatea aplicațiilor.

Interval de transmisie optim	Aplicații ideale
1,2 - 8μm	MWIR, imagistica NIR, spectroscopie IR, sisteme de detectare MWIR

Sulfura de zinc (ZnS)

Sulfura de zinc este o alegere excelentă pentru senzorii infraroșii pe care îi transmite bine în spectrul IR și vizibil. Este de obicei o alegere rentabilă față de alte materiale IR.

Interval de transmisie optim	Aplicații ideale
0,6 - 18μm	LWIR - MWIR, senzori infraroșii vizibili și de unde mijlocie sau lungi

Alegerea dvs. de substrat și de acoperire anti-reflexie va depinde de lungimea de undă care necesită o transmisie principală în aplicația dvs. De exemplu, dacă transmiteți lumină IR în domeniul MWIR, germaniul poate fi o alegere bună. Pentru aplicațiile NIR, safirul poate fi ideal.

Alte specificații pe care poate doriți să le luați în considerare în alegerea dvs. de optică în infraroșu includ proprietățile termice și indicele de refracție. Proprietățile termice ale unui substrat cuantifică modul în care acesta reacționează la căldură. Adesea, elementele optice în infraroșu vor fi expuse la temperaturi foarte variate. Unele aplicații IR produc, de asemenea, o cantitate mare de căldură. Pentru a determina dacă un substrat IR este potrivit pentru aplicația dvs., veți dori să verificați gradientul indicelui și coeficientul de dilatare termică (CTE). Dacă un anumit substrat are un gradient de indice mare, acesta poate avea performanțe optice suboptime atunci când este utilizat într-o setare volatilă termic. Dacă are un CTE ridicat, se poate extinde sau contracta cu o rată mare, având în vedere o schimbare mare a temperaturii. Materialele cele mai des utilizate în optică în infraroșu variază foarte mult ca indice de refracție. Germaniul, de exemplu, are un indice de refracție de 4,0003, comparativ cu 1,413 pentru MgF. Disponibilitatea substraturilor cu această gamă largă de indice de refracție oferă un plus de flexibilitate în proiectarea sistemului. Dispersia unui material IR măsoară modificarea indicelui lungimii de undă în raport cu lungimea de undă, precum și aberația cromatică sau separarea lungimii de undă. Dispersia este cuantificată, invers, cu numărul Abbe, care este definit ca raport dintre indicele de refracție la lungimea de undă d minus 1, peste diferența dintre indicele de refracție la liniile f și c. Dacă un substrat are un număr Abbe mai mare de 55, este mai puțin dispersiv și îl numim material de coroană. Substraturile mai dispersive cu numere Abbe mai mici de 55 sunt numite materiale silex.

Aplicații de optică în infraroșu

Optica cu infraroșu are aplicații în multe domenii, de la lasere cu CO2 de mare putere, care funcționează la 10,6 μm, până la camere termice cu viziune de noapte (benzi MWIR și LWIR) și imagini IR. Ele sunt, de asemenea, importante în spectroscopie, deoarece tranzițiile utilizate în identificarea multor urme de gaze sunt în regiunea infraroșu mijlociu. Producem sisteme optice cu linii laser, precum și componente în infraroșu, care funcționează bine pe o gamă largă de lungimi de undă, iar echipa noastră cu experiență poate oferi suport și consultanță completă pentru proiectare.

Paralight Optics folosește o gamă de tehnici avansate de procesare, cum ar fi strunjirea cu diamant unic și lustruirea CNC, pentru a produce lentile optice de înaltă precizie din siliciu, germaniu și sulfură de zinc care găsesc aplicații în camerele MWIR și LWIR. Suntem capabili să obținem precizie de mai puțin de 0,5 franjuri PV și rugozitate în intervalul mai mic de 10 nm.