Vad är infraröd optik?

1) Introduktion till infraröd optik

Infraröd optik används för att samla in, fokusera eller kollimera ljus i våglängdsområdet mellan 760 och 14 000 nm. Denna del av IR-strålningen är vidare uppdelad i fyra olika spektralområden:

Nära infraröd räckvidd (NIR)	700 – 900 nm
Kortvågigt infrarött område (SWIR)	900 – 2300 nm
Mid-Wave Infrared Range (MWIR)	3000 – 5000 nm
Long-Wave Infrared Range (LWIR)	8000 – 14000 nm

2) Kortvågig infraröd (SWIR)

SWIR-applikationer täcker intervallet från 900 till 2300 nm. Till skillnad från MWIR- och LWIR-ljus som sänds ut från själva objektet, liknar SWIR synligt ljus i den meningen att fotoner reflekteras eller absorberas av ett objekt, vilket ger den nödvändiga kontrasten för högupplöst bild. Naturliga ljuskällor som omgivande startljus och bakgrundsstrålning (aka nightglow) är sådana sändare av SWIR och ger utmärkt belysning för utomhusbilder på natten.

Ett antal applikationer som är problematiska eller omöjliga att utföra med synligt ljus är genomförbara med SWIR. Vid avbildning i SWIR är vattenånga, brandrök, dimma och vissa material som kisel genomskinliga. Dessutom kan färger som verkar nästan identiska i det synliga lätt särskiljas med SWIR.

SWIR-avbildning används för flera ändamål som inspektion av elektroniska kort och solceller, produktinspektion, identifiering och sortering, övervakning, anti-förfalskning, processkvalitetskontroll och mer.

3) Infraröd mellanvåg (MWIR)

MWIR-system fungerar i intervallet 3 till 5 mikron. När man väljer mellan MWIR- och LWIR-system måste man ta hänsyn till flera faktorer. Först måste de lokala atmosfäriska beståndsdelarna som fukt och dimma beaktas. MWIR-system påverkas mindre av fukt än LWIR-system, så de är överlägsna för tillämpningar som kustövervakning, fartygstrafikövervakning eller hamnskydd.

MWIR har större atmosfärisk transmission än LWIR i de flesta klimat. Därför är MWIR i allmänhet att föredra för övervakningsapplikationer på mycket långa avstånd som överstiger 10 km avstånd från objektet.

Dessutom är MWIR också ett bättre alternativ om du vill upptäcka högtemperaturobjekt som fordon, flygplan eller missiler. På bilden nedan kan man se att de varma avgasplymerna är betydligt mer synliga i MWIR än i LWIR.

4) Långvågig infraröd (LWIR)

LWIR-system fungerar i intervallet 8 till 14 mikron. De är att föredra för applikationer med föremål nära rumstemperatur. LWIR-kameror påverkas mindre av solen och därför bättre för utomhusbruk. De är vanligtvis okylda system som använder Focal Plane Array-mikrobolometrar, även om kylda LWIR-kameror finns också och de använder Mercury Cadmium Tellurium (MCT) detektorer. Däremot kräver majoriteten av MWIR-kameror kylning, med antingen flytande kväve eller en Stirling-cykelkylare.

LWIR-system hittar ett stort antal applikationer såsom inspektion av byggnad och infrastruktur, defektdetektering, gasdetektering och mer. LWIR-kameror har spelat en viktig roll under covid-19-pandemin eftersom de möjliggör snabb och exakt kroppstemperaturmätning.

5) Guide för val av IR-substrat

IR-material har distinkta egenskaper som gör att de kan prestera bra i det infraröda spektrumet. IR smält kiseldioxid, germanium, kisel, safir och zinksulfid/selenid, alla har styrkor för infraröda applikationer.

Zinkselenid (ZnSe)

Zinkselenid är en ljusgul, fast förening bestående av zink och selen. Den skapas genom syntes av zinkånga och H2Se-gas, som bildas som ark på ett grafitsubstrat. Den är känd för sin låga absorptionshastighet och som möjliggör utmärkt användning av CO2-lasrar.

Optimalt överföringsområde	Idealiska applikationer
0,6 - 16 μm	CO2-lasrar och termometri och spektroskopi, linser, fönster och FLIR-system

Germanium (Ge)

Germanium har ett mörkgrått rökigt utseende med ett brytningsindex på 4,024 med låg optisk dispersion. Den har en avsevärd densitet med en Knoop-hårdhet (kg/mm2): 780,00 vilket gör att den fungerar bra för fältoptik i tuffa förhållanden.

Optimalt överföringsområde	Idealiska applikationer
2 - 16 μm	LWIR - MWIR Termisk bildbehandling (när AR-beläggning), robusta optiska situationer

Kisel (S)

Kisel har ett blågrått utseende med en hög termisk kapacitet som gör den idealisk för laserspeglar och kiselwafers för halvledarindustrin. Den har ett brytningsindex på 3,42. Kiselkomponenter används i elektroniska enheter eftersom dess elektriska strömmar kan passera via kiselledarna mycket snabbare jämfört med andra ledare, den är mindre tät än Ge eller ZnSe. AR-beläggning rekommenderas för de flesta applikationer.

Optimalt överföringsområde	Idealiska applikationer
1,2 - 8 μm	MWIR, NIR-avbildning, IR-spektroskopi, MWIR-detektionssystem

Zinksulfid (ZnS)

Zinksulfid är ett utmärkt val för infraröda sensorer det sänder bra i IR och synligt spektrum. Det är vanligtvis ett kostnadseffektivt val framför andra IR-material.

Optimalt överföringsområde	Idealiska applikationer
0,6 - 18 μm	LWIR - MWIR, synliga och mellanvågs- eller långvågiga infraröda sensorer

Ditt val av substrat och antireflexbeläggning beror på vilken våglängd som kräver primär transmittans i din applikation. Till exempel, om du sänder IR-ljus i MWIR-serien, kan germanium vara ett bra val. För NIR-applikationer kan safir vara idealiskt.

Andra specifikationer som du kanske vill överväga i ditt val av infraröd optik inkluderar termiska egenskaper och brytningsindex. De termiska egenskaperna hos ett substrat kvantifierar hur det reagerar på värme. Ofta kommer infraröda optiska element att utsättas för mycket varierande temperaturer. Vissa IR-applikationer producerar också en stor mängd värme. För att avgöra om ett IR-substrat är lämpligt för din applikation bör du kontrollera indexgradienten och termisk expansionskoefficient (CTE). Om ett givet substrat har en högindexgradient kan det ha suboptimal optisk prestanda när det används i en termiskt flyktig miljö. Om den har en hög CTE kan den expandera eller dra ihop sig i hög hastighet givet en stor temperaturförändring. De material som oftast används i infraröd optik varierar kraftigt i brytningsindex. Germanium, till exempel, har ett brytningsindex på 4,0003, jämfört med 1,413 för MgF. Tillgängligheten av substrat med detta breda brytningsindexområde ger ökad flexibilitet i systemdesign. Dispersionen av ett IR-material mäter förändringen i våglängdsindex med avseende på våglängd såväl som den kromatiska aberrationen eller våglängdsseparationen. Dispersion kvantifieras, omvänt, med Abbe-talet, vilket definieras som förhållandet mellan brytningsindexet vid d-våglängden minus 1, över skillnaden mellan brytningsindexet vid f- och c-linjerna. Om ett substrat har ett Abbe-tal som är större än 55 är det mindre spridande och vi kallar det ett kronmaterial. Mer dispersiva substrat med Abbe-tal lägre än 55 kallas flintmaterial.

Applikationer för infraröd optik

Infraröd optik har applikationer inom många områden, från högeffekts CO2-lasrar, som arbetar vid 10,6 μm, till mörkerseende värmekameror (MWIR- och LWIR-band) och IR-avbildning. De är också viktiga i spektroskopi, eftersom övergångarna som används för att identifiera många spårgaser är i mitten av det infraröda området. Vi producerar laserlinjeoptik såväl som infraröda komponenter som fungerar bra över ett brett våglängdsområde, och vårt erfarna team kan ge fullständigt designstöd och konsultation.

Paralight Optics använder en rad avancerade bearbetningstekniker såsom Single Point Diamond-svarvning och CNC-polering för att producera optiska högprecisionslinser från Silicon, Germanium och Zinc Sulfide som kan användas i MWIR- och LWIR-kameror. Vi kan uppnå en noggrannhet på mindre än 0,5 fransar PV och grovhet inom området mindre än 10 nm.