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        熱紅外紅外材料都有哪些?

        2022-04-30 金夢

        熱紅外材料成像通常是指3~5um的中紅外(MWIR)成像和8~10um的遠紅外(LWIR)成像。在這些波段中,關注的是熱源,而不是可見光。熱紅外成像有許多不同應用,如非破壞性測試、紅外照相機可以拍攝設備的過熱點或者建筑物熱量流失位置、在醫學領域可測局部體表溫度的差異、在快速查找核電廠冷卻系統的熱泄露點,以及安全防護等。

        可見光系統有許多玻璃類型可以使用,但只有極其有限的材料可以有效地用于MWIR和LWIR波段。圖18.107給出了比較常用的紅外透射材料的透過率圖。這些數據包括表面的反射損失,因此,在應用高效增透膜后會產生相當高的透射比。只有極其有限的玻璃材料類型可有效地用于MWIR和LWIR波段。表18.9中列出了比較常用的常用熱紅外光學材料及它們的主要特性。阿貝常數V的定義為 (n1λ-1)/(n1λ-nHλ),式中, nCλ 為中心波長的折射率,n1λ為短波長折射率,nHλ為長波長折射率。


        常用熱紅外紅外材料有以下幾種:


        (1)鍺材料:

        鍺

        鍺是最普通的紅外材料,可用于LWIR波段和MWIR波段。在LWIR波段,它是消色差雙透鏡中的“冕牌”或正透鏡;在MWIR中,它是消色差雙透鏡中的“火石”或負透鏡。這是源于其在兩個波段中色散特性的差異。在MWIR波段,鍺很接近它的低吸收波段,因此它的折射率變化很快,進而導致較大的色散。這使它適宜作為消色差雙透鏡中的負光焦度元件。

        鍺材料有兩個很重要的參數:折射率和dn/dt 。鍺的折射率略大于4.0,這意味著淺曲面是合理的,易于降低相差,對設計是有利的。參數dn/dt是折射率歲溫度的變化。鍺的dn/dt是0.000369C。這是一個很大的值,普通玻璃的 dn/dt=0.000360C。這會引起隨溫度變化的大的焦移,通常需要某種無熱化技術(焦點相對溫度進行補償)。

        鍺是一種晶體材料,以單晶或多晶方式生成。根據生長過程,單晶鍺比多晶鍺更昂貴。多晶鍺的折射率不夠均勻,主要是由顆粒邊界的雜質造成的,這些雜質會影響成像到FPA的像質。因此,單晶鍺稱為首選。在高溫下,鍺材料變得有吸收性,200C時透射比接近零。

        單晶鍺的折射率不均勻系數為0.00005~0.0001,而多晶鍺為0.0001~0.00015。對于光學用途,通常以?.cm為單位指定鍺的電阻系數,整個毛坯的電阻系數為5~40 ?.cm 一般是可以接受的。圖18.109顯示了典型的鍺毛坯,右側有一塊多晶區域。請注意,單晶區域內電阻系數表現正常而且沿徑向緩慢變化,而多晶區的電阻系數則變化迅速。如果用一個合適的紅外照相機來觀察材料,會看到奇異的類似于蜘蛛網的回旋狀圖像,這種現象主要集中在顆粒邊界。這源于邊界處受到的誘導的雜質。硅和一些其他晶體材料的不足之一是脆而易碎。


        (2)硅材料

        硅

        硅是與鍺很類似的晶體材料。它主要被用于3~5um的MWIR波段,其在8~12um的LWIR波段存在吸收。硅的折射率比鍺略低,但它仍然足夠大,有利于像差的控制。另外,硅的色散也相對較低。硅可以被金剛石車削。


        (3)硫化鋅

        硫化鋅

        硫化鋅是常用于MWIR和LWIR波段的材料。它一般呈現銹黃色,對可見光半透明。生產硫化鋅的最普通過程被稱為化學汽相沉淀。

        用熱壓制成的硫化鋅能夠對可見光透明。透明硫化鋅可用于制造從可見光到LWIR波段的多光譜窗口和透鏡。


        (4)硒化鋅

        硒化鋅

        硒化鋅在很多方面與硫化鋅類似。它的折射率比硫化鋅略高,而結構不如硫化鋅牢固。因此,考慮到環境耐久性原因,有時將一薄層硫化鋅沉淀到厚的硒化鋅基底上。與硫化鋅相比,硒化鋅的最顯著優點是它的吸收系數極小,所以硒化鋅通常被用于高能CO2能夠系統中。


        (5)氟化鎂

        氟化鎂也是一種晶體材料。它的晶體材料可以透射從紫外到MWIR的光譜段。氟化鎂可用晶體生長或“熱壓”的方法制造,結果生成乳狀玻璃態材料。它在MWIR波段透射的情況良好,但可能會有不希望的散射,造成對比度的下降和離軸的雜散光。微粒散射反比于波長的四次方,因此可見光下的乳狀外觀在5um處會縮小1/16。


        (6)藍寶石

        藍寶石

        藍寶石是一種極其堅硬的材料。它可透射從深UV到MWIR波段的光。藍寶石的一個獨特特性是高溫下很低的熱發射率。這意味著高溫下材料會發射比其他材料少的熱輻射??蓪⑺{寶石用于制作經受高溫的腔體窗口,適于紅外波段通過窗口。藍寶石的主要缺點在于其硬度使光學加工困難。另一種與之類似的材料稱為尖晶石。尖晶石在效果上類似于熱壓藍寶石,可以替代藍寶石使用。尖晶石頭還具有很高的色散。藍寶石具有雙折射特性,它的折射率是入射極化面的函數。


        (7)三硫化砷

        三硫化砷是一種可用于MWIR和LWIR波段的材料。它呈現深紅色外觀,十分昂貴。


        (8)其他可用材料

        還有許多其他可用材料,包括氟化鈣、氟化鋇、氟化鈉、氟化鋰和溴化鉀等。這些材料可用于從深紫外到中波紅外波段。它們的色彩特性使它們對寬譜段應用極具吸引力,尤其是從近紅外中紅外甚至到遠紅外的應用。這些材料中有許多具有某些不希望的特性,尤其是吸濕性。需要適當鍍膜以避免濕氣的破壞,它們的結構經常需要用干燥氮氣凈化。


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