1) Introduzione all'ottica dell'infrarosso
Le ottiche a infrarossi vengono utilizzate per raccogliere, focalizzare o collimare la luce nell'intervallo di lunghezze d'onda compreso tra 760 e 14.000 nm.Questa porzione di radiazione IR è ulteriormente suddivisa in quattro diverse gamme spettrali:
| Gamma del vicino infrarosso (NIR) | 700 – 900 nm |
| Gamma degli infrarossi a onde corte (SWIR) | 900 – 2300 nm |
| Gamma degli infrarossi a onde medie (MWIR) | 3000 – 5000 nm |
| Gamma degli infrarossi a onde lunghe (LWIR) | 8000 – 14000 nm |
2) Infrarossi a onde corte (SWIR)
Le applicazioni SWIR coprono l'intervallo da 900 a 2300 nm.A differenza della luce MWIR e LWIR emessa dall'oggetto stesso, SWIR assomiglia alla luce visibile nel senso che i fotoni vengono riflessi o assorbiti da un oggetto, fornendo così il contrasto necessario per l'imaging ad alta risoluzione.Le fonti di luce naturale come la luce ambientale iniziale e la radianza di fondo (nota anche come bagliore notturno) sono tali emettitori di SWIR e forniscono un'eccellente illuminazione per l'imaging esterno di notte.
Un certo numero di applicazioni che sono problematiche o impossibili da eseguire utilizzando la luce visibile sono realizzabili utilizzando SWIR.Quando si esegue l'imaging in SWIR, il vapore acqueo, il fumo di fuoco, la nebbia e alcuni materiali come il silicio sono trasparenti.Inoltre, i colori che appaiono quasi identici nel visibile possono essere facilmente differenziati utilizzando SWIR.
L'imaging SWIR viene utilizzato per molteplici scopi, tra cui l'ispezione di schede elettroniche e celle solari, l'ispezione dei prodotti, l'identificazione e lo smistamento, la sorveglianza, l'anticontraffazione, il controllo della qualità dei processi e altro ancora.
3) Infrarossi a onda media (MWIR)
I sistemi MWIR operano nell'intervallo da 3 a 5 micron.Quando si decide tra i sistemi MWIR e LWIR, è necessario tenere conto di diversi fattori.Innanzitutto devono essere considerati i costituenti atmosferici locali come l’umidità e la nebbia.I sistemi MWIR sono meno influenzati dall'umidità rispetto ai sistemi LWIR, quindi sono superiori per applicazioni come la sorveglianza costiera, la sorveglianza del traffico navale o la protezione dei porti.
MWIR ha una trasmissione atmosferica maggiore rispetto a LWIR nella maggior parte dei climi.Pertanto, MWIR è generalmente preferibile per applicazioni di sorveglianza a lungo raggio che superano i 10 km di distanza dall'oggetto.
Inoltre, MWIR è anche un’opzione migliore se desideri rilevare oggetti ad alta temperatura come veicoli, aerei o missili.Nell'immagine qui sotto si può vedere che i pennacchi di scarico caldi sono significativamente più visibili nel MWIR che nel LWIR.
4) Infrarossi a onda lunga (LWIR)
I sistemi LWIR operano nell'intervallo da 8 a 14 micron.Sono preferiti per applicazioni con oggetti a temperatura prossima a quella ambiente.Le telecamere LWIR sono meno influenzate dal sole e quindi migliori per il funzionamento all'aperto.Si tratta in genere di sistemi non raffreddati che utilizzano microbolometri Focal Plane Array, sebbene esistano anche telecamere LWIR raffreddate e utilizzino rilevatori di mercurio-cadmio-tellurio (MCT).Al contrario, la maggior parte delle telecamere MWIR richiede il raffreddamento, utilizzando azoto liquido o un raffreddatore a ciclo Stirling.
I sistemi LWIR trovano un ampio numero di applicazioni come l'ispezione di edifici e infrastrutture, rilevamento di difetti, rilevamento di gas e altro ancora.Le telecamere LWIR hanno svolto un ruolo importante durante la pandemia di COVID-19 poiché consentono una misurazione rapida e accurata della temperatura corporea.
5) Guida alla scelta dei substrati IR
I materiali IR hanno proprietà distinte che consentono loro di funzionare bene nello spettro infrarosso.Silice fusa IR, germanio, silicio, zaffiro e solfuro/seleniuro di zinco, ciascuno ha punti di forza per le applicazioni a infrarossi.
Seleniuro di zinco (ZnSe)
Il seleniuro di zinco è un composto solido giallo chiaro comprendente zinco e selenio.Viene creato dalla sintesi di vapori di zinco e gas H2Se, formando fogli su un substrato di grafite.È noto per il suo basso tasso di assorbimento e che consente usi eccellenti per i laser CO2.
| Gamma di trasmissione ottimale | Applicazioni ideali |
| 0,6 - 16μm | Laser CO2 e termometria e spettroscopia, lenti, finestre e sistemi FLIR |
Germanio (Ge)
Il germanio ha un aspetto grigio scuro fumoso con un indice di rifrazione di 4,024 con bassa dispersione ottica.Ha una densità considerevole con una durezza Knoop (kg/mm2): 780,00 che gli consente di funzionare bene per l'ottica da campo in condizioni difficili.
| Gamma di trasmissione ottimale | Applicazioni ideali |
| 2 - 16μm | LWIR - MWIR Imaging termico (con rivestimento AR), situazioni ottiche robuste |
Silicio (S)
Il silicio ha un aspetto grigio-blu con un'elevata capacità termica che lo rende ideale per specchi laser e wafer di silicio per l'industria dei semiconduttori.Ha un indice di rifrazione di 3,42.I componenti in silicio vengono utilizzati nei dispositivi elettronici perché le sue correnti elettriche possono passare attraverso i conduttori in silicio molto più rapidamente rispetto ad altri conduttori, è meno denso di Ge o ZnSe.Il rivestimento AR è consigliato per la maggior parte delle applicazioni.
| Gamma di trasmissione ottimale | Applicazioni ideali |
| 1,2 - 8μm | MWIR, imaging NIR, spettroscopia IR, sistemi di rilevamento MWIR |
Solfuro di zinco (ZnS)
Il solfuro di zinco è una scelta eccellente per i sensori a infrarossi poiché trasmette bene nello spettro IR e visibile.In genere è una scelta economicamente vantaggiosa rispetto ad altri materiali IR.
| Gamma di trasmissione ottimale | Applicazioni ideali |
| 0,6 - 18μm | LWIR - MWIR, sensori a infrarossi visibili e ad onde medie o lunghe |
La scelta del substrato e del rivestimento antiriflesso dipenderà da quale lunghezza d'onda richiede una trasmittanza primaria nella vostra applicazione.Ad esempio, se stai trasmettendo luce IR nella gamma MWIR, il germanio potrebbe essere una buona scelta.Per le applicazioni NIR, lo zaffiro può essere l'ideale.
Altre specifiche che potresti prendere in considerazione nella scelta dell'ottica a infrarossi includono le proprietà termiche e l'indice di rifrazione.Le proprietà termiche di un substrato quantificano il modo in cui reagisce al calore.Spesso, gli elementi ottici a infrarossi saranno esposti a temperature molto variabili.Alcune applicazioni IR producono anche una grande quantità di calore.Per determinare se un substrato IR è adatto alla tua applicazione, ti consigliamo di controllare il gradiente dell'indice e il coefficiente di espansione termica (CTE).Se un dato substrato ha un gradiente di indice elevato, potrebbe avere prestazioni ottiche non ottimali se utilizzato in un ambiente termicamente volatile.Se ha un CTE elevato, potrebbe espandersi o contrarsi ad un ritmo elevato dato un grande cambiamento di temperatura.I materiali più spesso utilizzati nell'ottica a infrarossi variano ampiamente nell'indice di rifrazione.Il germanio, ad esempio, ha un indice di rifrazione di 4,0003, rispetto a 1,413 del MgF.La disponibilità di substrati con questa ampia gamma di indici di rifrazione offre una maggiore flessibilità nella progettazione del sistema.La dispersione di un materiale IR misura la variazione dell'indice di lunghezza d'onda rispetto alla lunghezza d'onda nonché l'aberrazione cromatica, ovvero la separazione della lunghezza d'onda.La dispersione viene quantificata, inversamente, con il numero di Abbe, che è definito come rapporto tra l'indice di rifrazione alla lunghezza d'onda d meno 1, rispetto alla differenza tra l'indice di rifrazione alle linee f e c.Se un substrato ha un numero di Abbe maggiore di 55, è meno dispersivo e lo chiamiamo materiale della corona.Substrati più dispersivi con numeri di Abbe inferiori a 55 sono chiamati materiali selce.
Applicazioni dell'ottica a infrarossi
L'ottica a infrarossi ha applicazioni in molti campi, dai laser a CO2 ad alta potenza, che funzionano a 10,6 μm, alle termocamere per la visione notturna (bande MWIR e LWIR) e all'imaging IR.Sono importanti anche in spettroscopia, poiché le transizioni utilizzate per identificare molti gas in tracce si trovano nella regione del medio infrarosso.Produciamo ottiche per linee laser e componenti a infrarossi che funzionano bene su un'ampia gamma di lunghezze d'onda e il nostro team esperto può fornire supporto e consulenza completi per la progettazione.
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Orario di pubblicazione: 25 aprile 2023
