Wat zijn de thermische infraroodmaterialen beschikbaar?

November 04, 2023

Imaging van thermische infraroodmateriaal verwijst meestal naar de beeldvorming van het middeninfrarood (MWIR) bij 3-5 μm en verre infrarood (LWIR) beeldvorming bij 8-10 μm. In deze banden ligt de focus op warmtebronnen in plaats van zichtbaar licht. Er zijn veel verschillende toepassingen van thermische infraroodbeeldvorming, zoals niet-destructieve testen, infraroodcamera's die de locatie van oververhitting van apparatuur kunnen vastleggen of warmteverlies van het opbouwen, verschillen in lokale lichaamsoppervlaktemperaturen die kunnen worden gemeten in het medische veld, snelle identificatie van Warmte lekkagepunten in het koelsysteem van kerncentrales en veiligheidsbescherming.

Er zijn veel soorten glas beschikbaar voor zichtbare lichtsystemen, maar slechts een zeer beperkt aantal materialen kan effectief worden gebruikt in de MWIR- en LWIR -banden. Figuur 18.107 toont de transmissie van veelgebruikte infrarood transmissiematerialen. Deze gegevens omvatten het reflectieverlies op het oppervlak, wat resulteert in een relatief hoge transmissie na de toepassing van een efficiënte antireflectieve film. Alleen een zeer beperkt type glasmateriaal kan effectief worden gebruikt in de MWIR- en LWIR -banden. Tabel 18.9 geeft een overzicht van veelgebruikte optische materialen voor thermische infrarood en hun hoofdkenmerken. De abbe-constante v wordt gedefinieerd als (n1 λ- 1) /(n1 λ-nh λ), in de vergelijking, nc λ brekingsindex bij de middengolflengte, n1 λ is de korte golflengte-index, NH λ is de refractische index van lange golflengten.

Er zijn verschillende veelgebruikte thermische infraroodmaterialen:

Germanium is het meest voorkomende infraroodmateriaal en kan worden gebruikt in de LWIR- en MWIR -banden. In de LWIR -band is het de "kroonplaat" of positieve lens in achromatische dubbele lenzen; In MWIR is het de "vuursteen" of negatieve lens in achromatische dubbele lenzen. Dit is te wijten aan het verschil in dispersiekenmerken tussen de twee banden. In de MWIR -band ligt Germanium zeer dicht bij de lage absorptieband, dus de brekingsindex verandert snel, wat leidt tot een significante dispersie. Dit maakt het geschikt als een negatief vermogenscomponent in achromatische dubbele lenzen.

(1) germanium materiaal:

Germanium is het meest voorkomende infraroodmateriaal en kan worden gebruikt in de LWIR- en MWIR -banden. In de LWIR -band is het de "kroonplaat" of positieve lens in achromatische dubbele lenzen; In MWIR is het de "vuursteen" of negatieve lens in achromatische dubbele lenzen. Dit is te wijten aan het verschil in dispersiekenmerken tussen de twee banden. In de MWIR -band ligt Germanium zeer dicht bij de lage absorptieband, dus de brekingsindex verandert snel, wat leidt tot een significante dispersie. Dit maakt het geschikt als een negatief vermogenscomponent in achromatische dubbele lenzen.

Germanium -materialen hebben twee belangrijke parameters: brekingsindex en DN/DT. De brekingsindex van Germanium is iets groter dan 4,0, wat betekent dat ondiepe oppervlakken redelijk en gemakkelijk te verminderen faseverschillen zijn, wat gunstig is voor het ontwerp. De parameter DN/DT is de verandering in brekingsindex en temperatuur. De DN/DT van Germanium is 0,000369c. Dit is een grote waarde, DN/dt = 0,000360c voor gewoon glas. Dit kan een grote focale verschuiving veroorzaken die varieert met de temperatuur, die meestal een niet -verwarmingstechniek vereist (compensatie van het brandpunt ten opzichte van temperatuur).

Germanium is een kristallijn materiaal dat wordt gegenereerd in enkele of polykristallijne vorm. Volgens het groeiproces is single crystal germanium duurder dan polykristallijn germanium. De brekingsindex van polykristallijn germanium is niet uniform genoeg, voornamelijk veroorzaakt door onzuiverheden aan de deeltjesgrens, die de beeldkwaliteit van FPA -beeldvorming kunnen beïnvloeden. Daarom is enkel kristal germanium het voorkeursmateriaal. Bij hoge temperaturen worden Germanium -materialen absorberend en nadert de transmissie nul bij 200C.

De brekingsindex Niet-uniformiteitscoëfficiënt van enkel kristal germanium is 0,00005 ~ 0,0001, terwijl die van polykristallijn germanium 0,0001 ~ 0,00015 is. Voor optische doeleinden, meestal ώ. De weerstandscoëfficiënt van Germanium is gespecificeerd in CM en de weerstandscoëfficiënt van de gehele blanco is 5-40 ώ. CM is over het algemeen acceptabel. Figuur 18.109 toont een typische germanium blanco met een polykristallijn gebied aan de rechterkant. Houd er rekening mee dat de resistentiecoëfficiënt in het enkelvoudige kristalgebied zich normaal gedraagt en langzaam verandert, terwijl de weerstandscoëfficiënt in het polykristallijne gebied snel verandert. Als een geschikte infraroodcamera wordt gebruikt om het materiaal te observeren, zijn vreemde wervelende afbeeldingen die vergelijkbaar zijn met spiderwebben te zien, die voornamelijk worden geconcentreerd op de deeltjesgrenzen. Dit komt door de geïnduceerde onzuiverheden aan de grens. Een van de tekortkomingen van silicium en sommige andere kristallijne materialen is hun brosheid en kwetsbaarheid.

Ba1aa10e86d2a03584f1764f4ce87b4 Jpg

(2) Siliciummateriaal
Silicium is een kristallijn materiaal vergelijkbaar met Germanium. Het wordt voornamelijk gebruikt in de MWIR-band van 3-5 μm en er is absorptie in de LWIR-band van 8-12 μm. De brekingsindex van silicium is iets lager dan die van Germanium, maar het is nog steeds groot genoeg om aberratiecontrole te vergemakkelijken. Bovendien is de dispersie van silicium relatief laag. Silicium kan worden gedraaid door diamant.
(3) zinksulfide
Zinksulfide is een veelgebruikt materiaal in de MWIR- en LWIR -banden. Over het algemeen lijkt het roestig geel en semi transparant voor zichtbaar licht. Het meest voorkomende proces voor het produceren van zinksulfide wordt chemische dampprecipitatie genoemd.
Zinksulfide gemaakt door heet persen kan transparant zijn voor zichtbaar licht. Transparant zinksulfide kan worden gebruikt om multispectrale ramen en lenzen te produceren van zichtbaar licht tot LWIR -banden.
(4) zink selenide
Zink selenide is in veel aspecten vergelijkbaar met zinksulfide. De brekingsindex is iets hoger dan zinksulfide, terwijl de structuur niet zo stevig is als zinksulfide. Daarom wordt het, gezien de duurzaamheidsredenen van het milieu, soms een dunne laag zinksulfide afgezet op een dik zinkselenidesubstraat. In vergelijking met zinksulfide is het belangrijkste voordeel van zinkselenide de extreem kleine absorptiecoëfficiënt, dus zinkselenide wordt meestal gebruikt in energierijke CO2-energiesystemen.

(5) magnesiumfluoride
Magnesiumfluoride is ook een kristallijn materiaal. Het kristalmateriaal kan het spectrale bereik overbrengen van ultraviolet naar MWIR. Magnesiumfluoride kan worden geproduceerd door kristalgroei of "hete dringende" methoden, wat resulteert in de vorming van melkachtige glazige materialen. Het heeft een goede transmissie in de MWIR -band, maar heeft mogelijk ongewenste verstrooiing, wat resulteert in een afname van het zwerflicht van de contrast- en uit -as. De verstrooiing van deeltjes is omgekeerd evenredig met de vierde kracht van de golflengte, dus het melkachtige uiterlijk onder zichtbaar licht zal krimpen met 1/16 bij 5um.
C501545f8816da6744a0fe5efc53bb5 Jpg (6) Sapphire

Sapphire is een extreem hard materiaal. Het kan licht overbrengen van diepe UV naar MWIR -banden. Een uniek kenmerk van saffier is de lage thermische emissiviteit bij hoge temperaturen. Dit betekent dat materialen minder thermische straling uitzenden dan andere materialen bij hoge temperaturen. Sapphire kan worden gebruikt om holtevensters te maken die bestand zijn tegen hoge temperaturen, geschikt voor infraroodband door ramen. Het belangrijkste nadeel van saffier is dat de hardheid optische verwerking moeilijk maakt. Een ander soortgelijk materiaal wordt spinel genoemd. Spinel is vergelijkbaar in feite met hete geperste saffier en kan worden gebruikt als vervanging voor saffier. Spinelstenen hebben ook een hoge dispersie. Sapphire heeft dubbelbrekende kenmerken en de brekingsindex ervan is een functie van het invallende polarisatieoppervlak.

(7) Arseen trisulfide

Arseen trisulfide is een materiaal dat kan worden gebruikt in de MWIR- en LWIR -banden. Het heeft een diep rood uiterlijk en is erg duur.

(8) Andere beschikbare materialen

Er zijn veel andere beschikbare materialen, waaronder calciumfluoride, bariumfluoride, natriumfluoride, lithiumfluoride en kaliumbromide. Deze materialen kunnen worden gebruikt in de banden van diepe ultraviolet tot middelgrote golfinfrarood. Hun kleurkenmerken maken ze zeer aantrekkelijk voor brede spectrale toepassingen, vooral van bijna-infrarood tot midden infrarood en zelfs veel infrarood. Veel van deze materialen hebben enkele ongewenste eigenschappen, vooral hygroscopiciteit. Juiste coating is vereist om schade door vocht te voorkomen, en hun structuur vereist vaak zuivering met droog stikstofgas.