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Was sind die thermischen Infrarotmaterialien verfügbar?

November 04, 2023
Die Bildgebung der thermischen Infrarotmaterial bezieht sich typischerweise auf die Bildgebung von 3-5 & mgr; m und ferner Infrarot (LWIR) bei 8-10 & mgr; m. In diesen Bändern liegt der Fokus eher auf Wärmequellen als auf sichtbarem Licht. Es gibt viele verschiedene Anwendungen der thermischen Infrarot-Bildgebung, wie z. Wärmeleckpunkte im Kühlsystem von Kernkraftwerken und Sicherheitsschutz.

Für sichtbare Lichtsysteme gibt es viele Arten von Glas, aber nur eine sehr begrenzte Anzahl von Materialien kann effektiv in den MWIR- und LWIR -Bändern verwendet werden. Abbildung 18.107 zeigt die Durchlässigkeit von häufig verwendeten Infrarotübertragungsmaterialien. Diese Daten umfassen den Reflexionsverlust auf der Oberfläche, was nach der Anwendung eines effizienten Antireflexionsfilms zu einer relativ hohen Durchlässigkeit führt. In den MWIR- und LWIR -Bändern kann nur eine sehr begrenzte Art von Glasmaterial effektiv eingesetzt werden. Tabelle 18.9 listet häufig verwendete thermische Infrarot -optische Materialien und deren Hauptmerkmale auf. Die ABBE-Konstante V ist definiert als (N1 λ- 1) /(n1 λ-nh λ). In der Gleichung ist NC λ-Brechungsindex bei der Mittelwellenlänge der kurze Wellenlängen-Brechungsindex, NH λ ist der Brechungsindex von langen Wellenlängen.

Es gibt mehrere häufig verwendete thermische Infrarotmaterialien:


Germanium ist das häufigste Infrarotmaterial und kann in den LWIR- und MWIR -Bändern verwendet werden. In der LWIR -Bande handelt es sich um die "Kronplatte" oder eine positive Linse in achromatischen Dual -Objektiven. In MWIR ist es die "Feuerstein" oder negative Linse in achromatischen Doppellinsen. Dies ist auf den Unterschied in den Dispersionseigenschaften zwischen den beiden Bändern zurückzuführen. In der MWIR -Bande steht Germanium sehr nahe an seinem niedrigen Absorptionsband, so dass sich der Brechungsindex schnell ändert, was zu einer signifikanten Dispersion führt. Dies macht es als negative Leistungskomponente bei achromatischen Doppellinsen geeignet.


(1) Germaniummaterial:

Germanium ist das häufigste Infrarotmaterial und kann in den LWIR- und MWIR -Bändern verwendet werden. In der LWIR -Bande handelt es sich um die "Kronplatte" oder eine positive Linse in achromatischen Dual -Objektiven. In MWIR ist es die "Feuerstein" oder negative Linse in achromatischen Doppellinsen. Dies ist auf den Unterschied in den Dispersionseigenschaften zwischen den beiden Bändern zurückzuführen. In der MWIR -Bande steht Germanium sehr nahe an seinem niedrigen Absorptionsband, so dass sich der Brechungsindex schnell ändert, was zu einer signifikanten Dispersion führt. Dies macht es als negative Leistungskomponente bei achromatischen Doppellinsen geeignet.

Germaniummaterialien haben zwei wichtige Parameter: Brechungsindex und DN/DT. Der Brechungsindex von Germanium ist etwas mehr als 4,0, was bedeutet, dass flache Oberflächen vernünftig und leicht zu reduzieren, was die Phasenunterschiede zu reduzieren, was für die Gestaltung von Vorteil ist. Der Parameter DN/DT ist die Änderung des Brechungsindex und der Temperatur. Das DN/DT von Germanium beträgt 0,000369c. Dies ist ein großer Wert, DN/DT = 0,000360C für gewöhnliches Glas. Dies kann zu einer großen fokalen Verschiebung führen, die mit der Temperatur variiert und normalerweise eine gewisse Heizungstechnik (Kompensation des Schwerpunktpunkts relativ zur Temperatur) erfordert.

Germanium ist ein kristallines Material, das in einer oder polykristallinen Form erzeugt wird. Nach dem Wachstumsprozess ist ein Kristalldeutsch teurer als polykristallines Germanium. Der Brechungsindex des polykristallinen Germaniums ist nicht einheitlich genug, hauptsächlich durch Verunreinigungen an der Partikelgrenze, was die Bildqualität der FPA -Bildgebung beeinflussen kann. Daher ist ein Kristalldeutsch das bevorzugte Material. Bei hohen Temperaturen werden deutsche Materialien absorbierend und die Transmission nähert sich bei 200 ° C Null.

Der Refraktionsindex-Ungleichmäßigkeitskoeffizient von Single Crystal Germanium beträgt 0,00005 ~ 0,0001, während der von polykristallinem Germanium 0,0001 ~ 0,00015 beträgt. Für optische Zwecke, normalerweise ώ. Der Resistenzkoeffizient von Germanium ist in CM angegeben, und der Widerstandskoeffizient des gesamten Blankens beträgt 5-40 °. CM ist allgemein akzeptabel. Abbildung 18.109 zeigt ein typisches Germanium -Blank mit einem polykristallinen Bereich rechts. Bitte beachten Sie, dass sich der Widerstandskoeffizient in der einzelnen Kristallregion normal und langsam ändert, während sich der Widerstandskoeffizient im polykristallinen Bereich schnell ändert. Wenn eine geeignete Infrarotkamera verwendet wird, um das Material zu beobachten, sind seltsame wirbelnde Bilder ähnlich wie Spinnennetze zu sehen, die hauptsächlich an den Partikelgrenzen konzentriert sind. Dies ist auf die induzierten Verunreinigungen an der Grenze zurückzuführen. Eines der Mängel von Silizium und einigen anderen kristallinen Materialien ist ihre Sprödigkeit und Zerbrechlichkeit.


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(2) Siliziummaterial
Silizium ist ein kristallines Material, das Germanium ähnelt. Es wird hauptsächlich in der MWIR-Bande von 3-5 μm verwendet, und es gibt Absorption im LWIR-Band von 8-12 & mgr; m. Der Brechungsindex von Silizium ist etwas niedriger als der von Germanium, aber immer noch groß genug, um die Aberrationskontrolle zu erleichtern. Darüber hinaus ist die Dispersion von Silizium relativ niedrig. Silizium kann durch Diamond gedreht werden.
(3) Zinksulfid
Zinksulfid ist ein häufig verwendetes Material in den MWIR- und LWIR -Bändern. Es erscheint im Allgemeinen rostig gelb und halb transparent für sichtbares Licht. Das häufigste Verfahren zur Herstellung von Zinksulfid wird als chemische Dampfniederschlag bezeichnet.
Zinksulfid, das durch heißes Pressen hergestellt wird, kann bis zu sichtbares Licht transparent sein. Transparentes Zinksulfid kann verwendet werden, um multispektrale Fenster und Linsen von sichtbarem Licht bis zu LWIR -Bändern herzustellen.
(4) Zink Selenid
Zinkselenid ähnelt Zinksulfid in vielen Aspekten. Sein Brechungsindex ist etwas höher als Zinksulfid, während seine Struktur nicht so robust wie Zinksulfid ist. Daher wird unter Berücksichtigung von Gründen der Umweltdauer manchmal eine dünne Zinksulfidschicht auf ein dickes Zink -Selenid -Substrat abgelagert. Im Vergleich zu Zinksulfid ist der größte Vorteil von Zinkselenid der extrem kleine Absorptionskoeffizient, sodass Zinkselenid normalerweise in CO2-Energiesystemen mit hoher Energie verwendet wird.

(5) Magnesiumfluorid
Magnesiumfluorid ist auch ein kristallines Material. Sein Kristallmaterial kann den Spektralbereich von ultraviolett bis mWIR übertragen. Magnesiumfluorid kann durch Kristallwachstum oder "heiße Presse" -Methoden erzeugt werden, was zur Bildung von milchigen glasartigen Materialien führt. Es hat eine gute Übertragung im MWIR -Band, kann aber eine unerwünschte Streuung haben, was zu einer Abnahme der Kontrast- und Off -Axis -Streulicht führt. Die Streuung von Partikeln ist umgekehrt proportional zur vierten Wellenlänge, sodass das milchige Erscheinungsbild unter sichtbarem Licht um 1/16 bei 5UM schrumpfen wird.
C501545f8816da6744a0fe5efc53bb5 Jpg (6) Saphir

Saphir ist ein extrem hartes Material. Es kann Licht von tiefen UV auf MWIR -Bänder übertragen. Ein einzigartiges Merkmal von Saphir ist sein niedriges thermisches Emissionsgrad bei hohen Temperaturen. Dies bedeutet, dass Materialien bei hohen Temperaturen weniger thermische Strahlung als andere Materialien emittieren. Saphir kann verwendet werden, um Hohlraumfenster zu erstellen, die hohen Temperaturen standhalten, die für Infrarot -Bande durch Fenster geeignet sind. Der Hauptnachteil von Sapphire ist, dass seine Härte die optische Verarbeitung schwierig macht. Ein weiteres ähnliches Material heißt Spinel. Spinel ist in der Wirkung wie der heiße Saphir ähnlich und kann als Ersatz für Saphir verwendet werden. Spinellsteine ​​haben auch eine hohe Dispersion. Sapphire hat Birenzeigenschaften, und sein Brechungsindex ist eine Funktion der einfallenden Polarisationsoberfläche.



(7) Arsen -Trisulfid

Das Arsen -Trisulfid ist ein Material, das in den MWIR- und LWIR -Bändern verwendet werden kann. Es hat ein tiefes Roter und ist sehr teuer.

(8) Andere verfügbare Materialien

Es gibt viele andere verfügbare Materialien, darunter Calciumfluorid, Bariumfluorid, Natriumfluorid, Lithiumfluorid und Kaliumbromid. Diese Materialien können in den Bändern von tiefem Ultraviolett bis mittlerer Welleninfrarot verwendet werden. Ihre Farbmerkmale machen sie für breite spektrale Anwendungen sehr attraktiv, insbesondere von nahezu Infrarot bis hin zu mittleren Infrarot- und sogar weit infrarktem Infrarot. Viele dieser Materialien haben einige unerwünschte Eigenschaften, insbesondere die Hygroskopizität. Eine ordnungsgemäße Beschichtung ist erforderlich, um Schäden durch Feuchtigkeit zu vermeiden, und ihre Struktur erfordert häufig Reinigung mit trockenem Stickstoffgas.



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