Care sunt disponibile materialele cu infraroșu termic?

November 04, 2023

Imagistica cu materiale cu infraroșu termic se referă de obicei la imagini cu infraroșu mediu (MWIR) la 3-5 μm și imagini cu infraroșu (LWIR) la 8-10 μm. În aceste benzi, accentul este pus pe surse de căldură, mai degrabă decât pe lumina vizibilă. Există multe aplicații diferite ale imagisticii cu infraroșu termic, cum ar fi testarea nedistructivă, camerele cu infraroșu care pot capta locația de supraîncălzire a echipamentelor sau construirea pierderilor de căldură, diferențele în temperaturile de suprafață locale care pot fi măsurate în câmpul medical, identificarea rapidă a rapidă a rapidului Punctele de scurgere de căldură în sistemul de răcire a centralelor nucleare și protecția privind siguranța.

Există multe tipuri de sticlă disponibile pentru sisteme de lumină vizibilă, dar doar un număr foarte limitat de materiale pot fi utilizate în mod eficient în benzile MWIR și LWIR. Figura 18.107 prezintă transmiterea materialelor de transmisie cu infraroșu utilizate frecvent. Aceste date includ pierderea de reflecție pe suprafață, rezultând astfel o transmisie relativ ridicată după aplicarea unui film antireflectiv eficient. Doar un tip foarte limitat de material de sticlă poate fi utilizat în mod eficient în benzile MWIR și LWIR. Tabelul 18.9 listează materiale optice cu infraroșu termic utilizate frecvent și principalele lor caracteristici. Constanta ABBE V este definită ca (N1 λ- 1) /(N1 λ- NH λ), în ecuație, indicele de refracție NC λ la lungimea de undă centrală, N1 λ este indexul de refracție al lungimii de undă scurte, NH λ este indicele refractiv de lungimi de undă lungi.

Există mai multe materiale cu infraroșu termic utilizat în mod obișnuit:

Germanium este cel mai frecvent material cu infraroșu și poate fi utilizat în benzile LWIR și MWIR. În banda Lwir, este „placa coroanei” sau lentile pozitive în lentile duble achromatice; În MWIR, este lentila „flint” sau negativă în lentile duble achromatice. Acest lucru se datorează diferenței de caracteristici de dispersie între cele două benzi. În banda MWIR, Germaniu este foarte aproape de banda sa de absorbție scăzută, astfel încât indicele său de refracție se schimbă rapid, ceea ce duce la o dispersie semnificativă. Acest lucru îl face potrivit ca o componentă de putere negativă în lentilele duble achromatice.

(1) Material de germaniu:

Germanium este cel mai frecvent material cu infraroșu și poate fi utilizat în benzile LWIR și MWIR. În banda Lwir, este „placa coroanei” sau lentile pozitive în lentile duble achromatice; În MWIR, este lentila „flint” sau negativă în lentile duble achromatice. Acest lucru se datorează diferenței de caracteristici de dispersie între cele două benzi. În banda MWIR, Germaniu este foarte aproape de banda sa de absorbție scăzută, astfel încât indicele său de refracție se schimbă rapid, ceea ce duce la o dispersie semnificativă. Acest lucru îl face potrivit ca o componentă de putere negativă în lentilele duble achromatice.

Materialele de germaniu au doi parametri importanți: indicele de refracție și DN/DT. Indicele de refracție al germaniului este puțin mai mare de 4,0, ceea ce înseamnă că suprafețele superficiale sunt rezonabile și ușor de reduceți diferențele de fază, ceea ce este benefic pentru proiectare. Parametrul DN/DT este modificarea indicelui de refracție și a temperaturii. DN/DT de germaniu este de 0,000369c. Aceasta este o valoare mare, DN/DT = 0,000360C pentru sticla obișnuită. Acest lucru poate provoca o schimbare focală mare care variază în funcție de temperatură, necesitând de obicei o anumită tehnică de încălzire (compensarea punctului focal în raport cu temperatura).

Germanium este un material cristalin care este generat sub formă unică sau policristalină. Conform procesului de creștere, germaniul cu un singur cristal este mai scump decât germania policristalină. Indicele de refracție al germaniului policristalin nu este suficient de uniform, cauzat în principal de impurități la granița particulelor, ceea ce poate afecta calitatea imaginii a imaginii FPA. Prin urmare, germaniul cu un singur cristal este materialul preferat. La temperaturi ridicate, materialele de germaniu devin absorbante, iar transmiterea se apropie zero la 200c.

Coeficientul de non-uniformitate al indicelui de refracție al germaniului cu un singur cristal este de 0,00005 ~ 0,0001, în timp ce cel al germaniului policristalin este de 0,0001 ~ 0,00015. În scopuri optice, de obicei ώ. Coeficientul de rezistență al germaniului este specificat în cm, iar coeficientul de rezistență al întregului semifabricat este de 5-40 ώ. CM este în general acceptabil. Figura 18.109 prezintă un semifabricat tipic de germaniu cu o zonă policristalină din dreapta. Vă rugăm să rețineți că coeficientul de rezistență în regiunea cu un singur cristal se comportă normal și se schimbă lent radial, în timp ce coeficientul de rezistență în regiunea policristalină se schimbă rapid. Dacă o cameră infraroșu adecvată este utilizată pentru a observa materialul, se pot observa imagini ciudate învolburate similare cu pânzele de păianjen, care sunt concentrate în principal la limitele particulelor. Acest lucru se datorează impurităților induse la graniță. Unul dintre deficiențele de siliciu și alte materiale cristaline este fragilitatea și fragilitatea lor.

Ba1aa10e86d2a03584f1764f4ce87b4 Jpg

(2) Material de siliciu
Siliconul este un material cristalin similar cu germaniul. Este utilizat în principal în banda MWIR de 3-5 μm și există absorbție în banda LWIR de 8-12 μm. Indicele de refracție al siliciului este puțin mai mic decât cel al germaniului, dar este încă suficient de mare pentru a facilita controlul aberației. În plus, dispersia siliciului este relativ scăzută. Siliconul poate fi întors de diamant.
(3) sulfură de zinc
Sulfura de zinc este un material utilizat frecvent în benzile MWIR și LWIR. În general, apare galben ruginit și semi transparent la lumina vizibilă. Cel mai frecvent proces pentru producerea sulfurii de zinc se numește precipitații de vapori chimici.
Sulfura de zinc realizată prin presarea la cald poate fi transparentă la lumina vizibilă. Sulfura de zinc transparentă poate fi utilizată pentru fabricarea ferestrelor multispectrale și lentilelor de la lumină vizibilă la benzi LWIR.
(4) selenidă de zinc
Selenidul de zinc este similar cu sulfura de zinc în multe aspecte. Indicele său de refracție este puțin mai mare decât sulfura de zinc, în timp ce structura sa nu este la fel de robustă ca sulfura de zinc. Prin urmare, având în vedere motive de durabilitate a mediului, uneori un strat subțire de sulfură de zinc este depus pe un substrat de selenidă de zinc gros. În comparație cu sulfura de zinc, cel mai semnificativ avantaj al selenidei de zinc este coeficientul său de absorbție extrem de mic, astfel încât selenidul de zinc este de obicei utilizat în sistemele energetice CO2 cu energie mare.

(5) Fluorură de magneziu
Fluorura de magneziu este, de asemenea, un material cristalin. Materialul său de cristal poate transmite intervalul spectral de la ultraviolete la MWIR. Fluorura de magneziu poate fi produsă prin creșterea cristalului sau prin metode de „presare la cald”, ceea ce duce la formarea de materiale sticloase lăptoase. Are o transmisie bună în banda MWIR, dar poate să fi împrăștiat nedorit, ceea ce duce la o scădere a contrastului și a luminii rătăcite a axei. Răspândirea particulelor este invers proporțională cu a patra putere de lungime de undă, astfel încât aspectul lăptoasă sub lumină vizibilă se va micșora cu 1/16 la 5um.
C501545f8816da6744a0fe5efc53bb5 Jpg (6) Sapphire

Sapphire este un material extrem de dur. Poate transmite lumină de la UV profund la benzi MWIR. O caracteristică unică a Sapphire este emisivitatea termică scăzută la temperaturi ridicate. Aceasta înseamnă că materialele emit mai puține radiații termice decât alte materiale la temperaturi ridicate. Sapphire poate fi utilizat pentru a crea ferestre de cavitate care rezistă la temperaturi ridicate, potrivite pentru banda infraroșie prin ferestre. Principalul dezavantaj al Sapphire este că duritatea sa îngreunează procesarea optică. Un alt material similar se numește spinel. Spinel este similar cu safirul presat la cald și poate fi utilizat ca substitut pentru safir. Pietrele spinel au, de asemenea, o dispersie ridicată. Sapphire are caracteristici de birefringență, iar indicele său de refracție este o funcție a suprafeței de polarizare a incidentelor.

(7) trisulfură de arsen

Trisulfura de arsenic este un material care poate fi utilizat în benzile MWIR și LWIR. Are un aspect roșu profund și este foarte scump.

(8) Alte materiale disponibile

Există multe alte materiale disponibile, inclusiv fluor de calciu, fluor de bariu, fluor de sodiu, fluor de litiu și bromură de potasiu. Aceste materiale pot fi utilizate în benzi de la infraroșu ultraviolet până la mediu. Caracteristicile lor de culoare le fac extrem de atractive pentru aplicații spectrale largi, în special de la infraroșu aproape până la infraroșu mediu și chiar cu infraroșu îndepărtat. Multe dintre aceste materiale au unele proprietăți nedorite, în special higroscopicitate. Acoperirea corespunzătoare este necesară pentru a evita deteriorarea umidității, iar structura lor necesită adesea purificarea cu gaz de azot uscat.