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    热红外红外材料都有哪些?

    2022-04-30 金梦

    热红外材料成像通常是指3~5um的中红外(MWIR)成像和8~10um的远红外(LWIR)成像。在这些波段中,关注的是热源,而不是可见光。热红外成像有许多不同应用,如非破坏性测试、红外照相机可以拍摄设备的过热点或者建筑物热量流失位置、在医学领域可测局部体表温度的差异、在快速查找核电厂冷却系统的热泄露点,以及安全防护等。

    可见光系统有许多玻璃类型可以使用,但只有极其有限的材料可以有效地用于MWIR和LWIR波段。图18.107给出了比较常用的红外透射材料的透过率图。这些数据包括表面的反射损失,因此,在应用高效增透膜后会产生相当高的透射比。只有极其有限的玻璃材料类型可有效地用于MWIR和LWIR波段。表18.9中列出了比较常用的常用热红外光学材料及它们的主要特性。阿贝常数V的定义为 (n1λ-1)/(n1λ-nHλ),式中, nCλ 为中心波长的折射率,n1λ为短波长折射率,nHλ为长波长折射率。


    常用热红外红外材料有以下几种:


    (1)锗材料:

    锗

    锗是最普通的红外材料,可用于LWIR波段和MWIR波段。在LWIR波段,它是消色差双透镜中的“冕牌”或正透镜;在MWIR中,它是消色差双透镜中的“火石”或负透镜。这是源于其在两个波段中色散特性的差异。在MWIR波段,锗很接近它的低吸收波段,因此它的折射率变化很快,进而导致较大的色散。这使它适宜作为消色差双透镜中的负光焦度元件。

    锗材料有两个很重要的参数:折射率和dn/dt 。锗的折射率略大于4.0,这意味着浅曲面是合理的,易于降低相差,对设计是有利的。参数dn/dt是折射率岁温度的变化。锗的dn/dt是0.000369C。这是一个很大的值,普通玻璃的 dn/dt=0.000360C。这会引起随温度变化的大的焦移,通常需要某种无热化技术(焦点相对温度进行补偿)。

    锗是一种晶体材料,以单晶或多晶方式生成。根据生长过程,单晶锗比多晶锗更昂贵。多晶锗的折射率不够均匀,主要是由颗粒边界的杂质造成的,这些杂质会影响成像到FPA的像质。因此,单晶锗称为首选。在高温下,锗材料变得有吸收性,200C时透射比接近零。

    单晶锗的折射率不均匀系数为0.00005~0.0001,而多晶锗为0.0001~0.00015。对于光学用途,通常以?.cm为单位指定锗的电阻系数,整个毛坯的电阻系数为5~40 ?.cm 一般是可以接受的。图18.109显示了典型的锗毛坯,右侧有一块多晶区域。请注意,单晶区域内电阻系数表现正常而且沿径向缓慢变化,而多晶区的电阻系数则变化迅速。如果用一个合适的红外照相机来观察材料,会看到奇异的类似于蜘蛛网的回旋状图像,这种现象主要集中在颗粒边界。这源于边界处受到的诱导的杂质。硅和一些其他晶体材料的不足之一是脆而易碎。


    (2)硅材料

    硅

    硅是与锗很类似的晶体材料。它主要被用于3~5um的MWIR波段,其在8~12um的LWIR波段存在吸收。硅的折射率比锗略低,但它仍然足够大,有利于像差的控制。另外,硅的色散也相对较低。硅可以被金刚石车削。


    (3)硫化锌

    硫化锌

    硫化锌是常用于MWIR和LWIR波段的材料。它一般呈现锈黄色,对可见光半透明。生产硫化锌的最普通过程被称为化学汽相沉淀。

    用热压制成的硫化锌能够对可见光透明。透明硫化锌可用于制造从可见光到LWIR波段的多光谱窗口和透镜。


    (4)硒化锌

    硒化锌

    硒化锌在很多方面与硫化锌类似。它的折射率比硫化锌略高,而结构不如硫化锌牢固。因此,考虑到环境耐久性原因,有时将一薄层硫化锌沉淀到厚的硒化锌基底上。与硫化锌相比,硒化锌的最显著优点是它的吸收系数极小,所以硒化锌通常被用于高能CO2能够系统中。


    (5)氟化镁

    氟化镁也是一种晶体材料。它的晶体材料可以透射从紫外到MWIR的光谱段。氟化镁可用晶体生长或“热压”的方法制造,结果生成乳状玻璃态材料。它在MWIR波段透射的情况良好,但可能会有不希望的散射,造成对比度的下降和离轴的杂散光。微粒散射反比于波长的四次方,因此可见光下的乳状外观在5um处会缩小1/16。


    (6)蓝宝石

    蓝宝石

    蓝宝石是一种极其坚硬的材料。它可透射从深UV到MWIR波段的光。蓝宝石的一个独特特性是高温下很低的热发射率。这意味着高温下材料会发射比其他材料少的热辐射??山侗κ糜谥谱骶芨呶碌那惶宕翱?,适于红外波段通过窗口。蓝宝石的主要缺点在于其硬度使光学加工困难。另一种与之类似的材料称为尖晶石。尖晶石在效果上类似于热压蓝宝石,可以替代蓝宝石使用。尖晶石头还具有很高的色散。蓝宝石具有双折射特性,它的折射率是入射极化面的函数。


    (7)三硫化砷

    三硫化砷是一种可用于MWIR和LWIR波段的材料。它呈现深红色外观,十分昂贵。


    (8)其他可用材料

    还有许多其他可用材料,包括氟化钙、氟化钡、氟化钠、氟化锂和溴化钾等。这些材料可用于从深紫外到中波红外波段。它们的色彩特性使它们对宽谱段应用极具吸引力,尤其是从近红外中红外甚至到远红外的应用。这些材料中有许多具有某些不希望的特性,尤其是吸湿性。需要适当镀膜以避免湿气的破坏,它们的结构经常需要用干燥氮气净化。


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