Что такое инфракрасная оптика?

1) Введение в инфракрасную оптику

Инфракрасная оптика используется для сбора, фокусировки или коллимации света в диапазоне длин волн от 760 до 14 000 нм. Эта часть ИК-излучения далее делится на четыре различных спектральных диапазона:

Ближний инфракрасный диапазон (NIR)	700 – 900 нм
Коротковолновый инфракрасный диапазон (SWIR)	900 – 2300 нм
Средневолновой инфракрасный диапазон (MWIR)	3000 – 5000 нм
Длинноволновой инфракрасный диапазон (LWIR)	8000 – 14000 нм

2) Коротковолновое инфракрасное излучение (SWIR)

Приложения SWIR охватывают диапазон от 900 до 2300 нм. В отличие от света MWIR и LWIR, который излучается самим объектом, SWIR напоминает видимый свет в том смысле, что фотоны отражаются или поглощаются объектом, обеспечивая тем самым необходимый контраст для получения изображений с высоким разрешением. Источники естественного света, такие как окружающий начальный свет и фоновое излучение (так называемое ночное свечение), являются такими излучателями SWIR и обеспечивают отличное освещение для съемки на открытом воздухе в ночное время.

Ряд приложений, которые проблематично или невозможно выполнить с использованием видимого света, можно реализовать с помощью SWIR. При визуализации в SWIR водяной пар, дым от пожара, туман и некоторые материалы, такие как кремний, являются прозрачными. Кроме того, цвета, которые в видимой области спектра кажутся почти идентичными, можно легко различить с помощью SWIR.

SWIR-изображение используется для различных целей, таких как проверка электронных плат и солнечных батарей, проверка продукции, идентификация и сортировка, наблюдение, борьба с подделками, контроль качества процесса и многое другое.

3) Средневолновой инфракрасный диапазон (MWIR)

Системы MWIR работают в диапазоне от 3 до 5 микрон. При выборе между системами MWIR и LWIR необходимо учитывать несколько факторов. Во-первых, необходимо учитывать местные составляющие атмосферы, такие как влажность и туман. Системы MWIR меньше подвержены влиянию влажности, чем системы LWIR, поэтому они превосходны для таких приложений, как наблюдение за прибрежными районами, наблюдение за движением судов или защита гавани.

MWIR имеет большую передачу в атмосфере, чем LWIR, в большинстве климатических условий. Таким образом, MWIR обычно предпочтительнее для систем наблюдения на очень больших расстояниях, превышающих 10 км от объекта.

Более того, MWIR также является лучшим вариантом, если вы хотите обнаружить высокотемпературные объекты, такие как транспортные средства, самолеты или ракеты. На изображении ниже видно, что шлейфы горячих выхлопных газов значительно более заметны в MWIR, чем в LWIR.

4) Длинноволновое инфракрасное излучение (LWIR)

Системы LWIR работают в диапазоне от 8 до 14 микрон. Они предпочтительны для применений с объектами, имеющими температуру, близкую к комнатной. Камеры LWIR меньше подвержены воздействию солнца и поэтому лучше подходят для работы на открытом воздухе. Обычно это неохлаждаемые системы, в которых используются микроболометры с матрицей в фокальной плоскости, хотя существуют и охлаждаемые камеры LWIR, в которых используются детекторы ртути-кадмия-теллура (MCT). Напротив, большинство камер MWIR требуют охлаждения с использованием либо жидкого азота, либо охладителя с циклом Стирлинга.

Системы LWIR находят множество применений, таких как проверка зданий и инфраструктуры, обнаружение дефектов, обнаружение газа и многое другое. Камеры LWIR сыграли важную роль во время пандемии COVID-19, поскольку они позволяют быстро и точно измерять температуру тела.

5) Руководство по выбору ИК-подложек

ИК-материалы обладают особыми свойствами, которые позволяют им хорошо работать в инфракрасном спектре. ИК-плавленный кремнезем, германий, кремний, сапфир и сульфид/селенид цинка — каждый из них обладает преимуществами для применения в инфракрасном диапазоне.

Селенид цинка (ZnSe)

Селенид цинка представляет собой светло-желтое твердое соединение, содержащее цинк и селен. Он создается путем синтеза паров цинка и газа H2 Se, образующихся в виде листов на графитовой подложке. Он известен своей низкой скоростью поглощения, что позволяет прекрасно использовать CO2-лазеры.

Оптимальный диапазон трансмиссии	Идеальные приложения
0,6–16 мкм	CO2-лазеры, термометрия и спектроскопия, линзы, окна и системы FLIR.

Германий (Ge)

Германий имеет темно-серый дымчатый вид с показателем преломления 4,024 и низкой оптической дисперсией. Он имеет значительную плотность и твердость по Кнупу (кг/мм2): 780,00, что позволяет ему хорошо работать в полевой оптике в суровых условиях.

Оптимальный диапазон трансмиссии	Идеальные приложения
2–16 мкм	LWIR – MWIR Тепловидение (с противоотражающим покрытием), сложные оптические ситуации

Кремний (S)

Кремний имеет сине-серый цвет и обладает высокой теплоемкостью, что делает его идеальным для лазерных зеркал и кремниевых пластин для полупроводниковой промышленности. Он имеет показатель преломления 3,42. Кремниевые компоненты используются в электронных устройствах потому, что их электрические токи могут проходить через кремниевые проводники гораздо быстрее по сравнению с другими проводниками, а также потому, что они менее плотны, чем Ge или ZnSe. AR-покрытие рекомендуется для большинства применений.

Оптимальный диапазон трансмиссии	Идеальные приложения
1,2–8 мкм	MWIR, NIR визуализация, ИК-спектроскопия, системы обнаружения MWIR

Сульфид цинка (ZnS)

Сульфид цинка — отличный выбор для инфракрасных датчиков, он хорошо передает в ИК- и видимом спектрах. Обычно это экономически эффективный выбор по сравнению с другими ИК-материалами.

Оптимальный диапазон трансмиссии	Идеальные приложения
0,6–18 мкм	LWIR - MWIR, видимые и средневолновые или длинноволновые инфракрасные датчики

Выбор подложки и просветляющего покрытия будет зависеть от того, какая длина волны требует наилучшего пропускания в вашем приложении. Например, если вы передаете ИК-излучение в диапазоне MWIR, хорошим выбором может быть германий. Для применения в ближнем ИК-диапазоне идеальным вариантом может оказаться сапфир.

Другие характеристики, которые вы можете учитывать при выборе инфракрасной оптики, включают тепловые свойства и показатель преломления. Термические свойства подложки количественно определяют, как она реагирует на тепло. Часто инфракрасные оптические элементы подвергаются воздействию самых разных температур. Некоторые ИК-приложения также выделяют большое количество тепла. Чтобы определить, подходит ли ИК-подложка для вашего применения, вам необходимо проверить градиент индекса и коэффициент теплового расширения (КТР). Если данная подложка имеет высокий градиент индекса, она может иметь неоптимальные оптические характеристики при использовании в термически нестабильных условиях. Если он имеет высокий КТР, он может расширяться или сжиматься с высокой скоростью при большом изменении температуры. Материалы, наиболее часто используемые в инфракрасной оптике, сильно различаются по показателю преломления. Например, германий имеет показатель преломления 4,0003 по сравнению с 1,413 для MgF. Доступность подложек с таким широким диапазоном показателей преломления обеспечивает дополнительную гибкость при проектировании системы. Дисперсия ИК-материала измеряет изменение показателя длины волны по отношению к длине волны, а также хроматическую аберрацию или разделение длин волн. Дисперсия количественно оценивается обратно пропорционально числу Аббе, которое определяется как отношение показателя преломления на длине волны d минус 1 к разнице между показателями преломления на линиях f и c. Если подложка имеет число Аббе более 55, она менее дисперсионна, и мы называем ее коронковым материалом. Более дисперсные подложки с числами Аббе менее 55 называются кремневыми материалами.

Применение инфракрасной оптики

Инфракрасная оптика находит применение во многих областях: от мощных CO2-лазеров, работающих на длине волны 10,6 мкм, до тепловизионных камер ночного видения (диапазоны MWIR и LWIR) и ИК-изображений. Они также важны в спектроскопии, поскольку переходы, используемые при идентификации многих газовых примесей, находятся в средней инфракрасной области. Мы производим оптику для лазерных линий, а также инфракрасные компоненты, которые хорошо работают в широком диапазоне длин волн, а наша опытная команда может предоставить полную поддержку при проектировании и консультации.

Paralight Optics использует ряд передовых технологий обработки, таких как одноточечная алмазная обработка и полировка с ЧПУ, для производства высокоточных оптических линз из кремния, германия и сульфида цинка, которые находят применение в камерах MWIR и LWIR. Мы можем достичь точности менее 0,5 полосы PV и шероховатости в диапазоне менее 10 нм.