Quali sono i materiali a infrarossi termici disponibili?

November 04, 2023

L'imaging del materiale a infrarossi termici si riferisce in genere all'imaging a infrarossi mid (MWIR) a 3-5 μ m e imaging a infrarossi FAR (LWIR) a 8-10 μ m. In queste bande, l'attenzione è rivolta alle fonti di calore piuttosto che alla luce visibile. Esistono molte diverse applicazioni di imaging a infrarossi termici, come test non distruttivi, telecamere a infrarossi che possono catturare la posizione del surriscaldamento delle attrezzature o costruire perdita di calore, differenze nelle temperature della superficie corporea locale che possono essere misurate in campo medico, rapida identificazione di Punti di perdita di calore nel sistema di raffreddamento delle centrali nucleari e protezione della sicurezza.

Esistono molti tipi di vetro disponibili per i sistemi di luce visibili, ma solo un numero molto limitato di materiali può essere effettivamente utilizzato nelle bande MWIR e LWIR. La Figura 18.107 mostra la trasmissione di materiali di trasmissione a infrarossi comunemente usati. Questi dati includono la perdita di riflessione in superficie, con conseguente trasmissione relativamente elevata dopo l'applicazione di un efficiente film antireflettente. Solo un tipo molto limitato di materiale in vetro può essere effettivamente utilizzato nelle bande MWIR e LWIR. Tabella 18.9 elenchi materiali ottici a infrarossi termici comunemente usati e le loro caratteristiche principali. La costante di Abbea V è definita come (n1 λ- 1) /(n1 λ- nh λ), nell'equazione, NC λ indice di rifrazione alla lunghezza d'onda centrale, N1 λ è l'indice di rifrazione a lunghezza d'onda corta, NH λ è l'indice di rifrazione di lunghe lunghezze d'onda.

Esistono diversi materiali a infrarossi termici comunemente usati:

Il germanio è il materiale a infrarossi più comune e può essere utilizzato nelle bande LWIR e MWIR. Nella banda LWIR, è la "piastra della corona" o le lenti positive nelle doppie lenti acromatiche; In MWIR, è la lente "pietra focaia" o negativa nelle doppie lenti acromatiche. Ciò è dovuto alla differenza nelle caratteristiche di dispersione tra le due bande. Nella banda MWIR, il germanio è molto vicino alla sua bassa banda di assorbimento, quindi il suo indice di rifrazione cambia rapidamente, portando a una significativa dispersione. Ciò lo rende adatto come componente di potenza negativa nelle doppie lenti acromatiche.

(1) Materiale di germanio:

Il germanio è il materiale a infrarossi più comune e può essere utilizzato nelle bande LWIR e MWIR. Nella banda LWIR, è la "piastra della corona" o le lenti positive nelle doppie lenti acromatiche; In MWIR, è la lente "pietra focaia" o negativa nelle doppie lenti acromatiche. Ciò è dovuto alla differenza nelle caratteristiche di dispersione tra le due bande. Nella banda MWIR, il germanio è molto vicino alla sua bassa banda di assorbimento, quindi il suo indice di rifrazione cambia rapidamente, portando a una significativa dispersione. Ciò lo rende adatto come componente di potenza negativa nelle doppie lenti acromatiche.

I materiali di germanio hanno due parametri importanti: indice di rifrazione e DN/dt. L'indice di rifrazione del germanio è leggermente maggiore di 4,0, il che significa che le superfici poco profonde sono ragionevoli e facili da ridurre le differenze di fase, il che è utile per la progettazione. Il parametro DN/DT è la variazione dell'indice di rifrazione e della temperatura. Il dn/dt di germanio è 0,000369c. Questo è un valore di grande valore, DN/DT = 0,000360C per vetro ordinario. Ciò può causare un grande spostamento focale che varia con la temperatura, che di solito richiede una tecnica di non riscaldamento (compensazione del punto focale rispetto alla temperatura).

Il germanio è un materiale cristallino che viene generato in forma singola o policristallina. Secondo il processo di crescita, il germanio a cristallo singolo è più costoso del germanio policristallino. L'indice di rifrazione del germanio policristallino non è abbastanza uniforme, causato principalmente dalle impurità al confine delle particelle, che può influire sulla qualità dell'immagine dell'imaging FPA. Pertanto, il germanio a cristallo singolo è il materiale preferito. Ad alte temperature, i materiali di germanio diventano assorbenti e la trasmittanza si avvicina a zero a 200 ° C.

Il coefficiente di non uniformità dell'indice di rifrazione del germanio a cristallo singolo è 0,00005 ~ 0,0001, mentre quello del germanio policristallino è 0,0001 ~ 0,00015. Per scopi ottici, di solito ώ. Il coefficiente di resistenza del germanio è specificato in CM e il coefficiente di resistenza dell'intero bianco è 5-40 ώ. CM è generalmente accettabile. La Figura 18.109 mostra un tipico bianco germanio con un'area policristallina sulla destra. Si noti che il coefficiente di resistenza nella regione cristallina singola si comporta normalmente e lentamente cambia radialmente, mentre il coefficiente di resistenza nella regione policristallina cambia rapidamente. Se viene utilizzata una fotocamera a infrarossi adeguata per osservare il materiale, si possono vedere strane immagini vorticose simili alle reti di ragno, che sono principalmente concentrate ai confini delle particelle. Ciò è dovuto alle impurità indotte al confine. Una delle carenze del silicio e alcuni altri materiali cristallini è la loro fragilità e fragilità.

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(2) Materiale al silicio
Il silicio è un materiale cristallino simile al germanio. È usato principalmente nella banda MWIR di 3-5 μ m e c'è un assorbimento nella banda LWIR di 8-12 μ m. L'indice di rifrazione del silicio è leggermente inferiore a quello del germanio, ma è ancora abbastanza grande da facilitare il controllo dell'aberrazione. Inoltre, la dispersione del silicio è relativamente bassa. Il silicio può essere trasformato in diamante.
(3) solfuro di zinco
Il solfuro di zinco è un materiale comunemente usato nelle bande MWIR e LWIR. Generalmente sembra giallo arrugginito e semi trasparente alla luce visibile. Il processo più comune per la produzione di solfuro di zinco si chiama precipitazione del vapore chimico.
Il solfuro di zinco prodotto dalla pressione a caldo può essere trasparente alla luce visibile. Il solfuro di zinco trasparente può essere utilizzato per produrre finestre multispettrali e lenti dalla luce visibile alle bande LWIR.
(4) Selenide di zinco
La selenide di zinco è simile al solfuro di zinco in molti aspetti. Il suo indice di rifrazione è leggermente più alto del solfuro di zinco, mentre la sua struttura non è robusta come il solfuro di zinco. Pertanto, considerando motivi di durata ambientale, a volte un sottile strato di solfuro di zinco viene depositato su uno spesso substrato di selenide di zinco. Rispetto al solfuro di zinco, il vantaggio più significativo della selenide di zinco è il suo coefficiente di assorbimento estremamente piccolo, quindi la selenide di zinco viene solitamente utilizzata nei sistemi energetici di CO2 ad alta energia.

(5) Fluoruro di magnesio
Il fluoruro di magnesio è anche un materiale cristallino. Il suo materiale cristallino può trasmettere l'intervallo spettrale da ultravioletto a MWIR. Il fluoruro di magnesio può essere prodotto mediante crescita di cristalli o metodi di "pressione a caldo", con conseguente formazione di materiali vetrosi lattiginosi. Ha una buona trasmissione nella banda MWIR, ma può avere una dispersione indesiderata, con conseguente riduzione della luce randagio di contrasto e OFF. La dispersione di particelle è inversamente proporzionale alla quarta potenza della lunghezza d'onda, quindi l'aspetto latteo sotto la luce visibile si ridurrà di 1/16 al 5um.
C501545f8816da6744a0fe5efc53bb5 Jpg (6) Sapphire

Sapphire è un materiale estremamente duro. Può trasmettere la luce da UV profonde alle bande MWIR. Una caratteristica unica dello zaffiro è la sua bassa emissività termica ad alte temperature. Ciò significa che i materiali emettono meno radiazioni termiche rispetto ad altri materiali ad alte temperature. Lo zaffiro può essere utilizzato per creare finestre di cavità che resistono alle alte temperature, adatte alla fascia a infrarossi attraverso le finestre. Lo svantaggio principale dello zaffiro è che la sua durezza rende difficile l'elaborazione ottica. Un altro materiale simile è chiamato spinello. Lo spinello è simile in vigore allo zaffiro a caldo e può essere usato come sostituto dello zaffiro. Anche le pietre di spinello hanno un'alta dispersione. Lo zaffiro ha caratteristiche birifrangiche e il suo indice di rifrazione è una funzione della superficie di polarizzazione incidente.

(7) Trisulfuro di arsenico

Il trisulfuro di arsenico è un materiale che può essere utilizzato nelle bande MWIR e LWIR. Ha un aspetto rosso intenso ed è molto costoso.

(8) Altri materiali disponibili

Esistono molti altri materiali disponibili, tra cui fluoruro di calcio, fluoruro di bario, fluoruro di sodio, fluoruro di litio e bromuro di potassio. Questi materiali possono essere utilizzati nelle bande dal profondo infrarosso a onde a media a onde. Le loro caratteristiche di colore li rendono molto attraenti per ampie applicazioni spettrali, in particolare dal vicino infrarosso a medio infrarosso e persino dall'estremo infrarosso. Molti di questi materiali hanno alcune proprietà indesiderate, in particolare l'igroscopicità. È necessario un rivestimento adeguato per evitare danni dall'umidità e la loro struttura spesso richiede purificazione con gas azoto secco.