1) Introdução à Óptica Infravermelha
A óptica infravermelha é usada para coletar, focar ou colimar luz na faixa de comprimento de onda entre 760 e 14.000 nm.Esta porção da radiação IR é dividida em quatro faixas espectrais diferentes:
| Alcance do infravermelho próximo (NIR) | 700 – 900 nm |
| Faixa infravermelha de ondas curtas (SWIR) | 900 – 2300 nm |
| Faixa infravermelha de onda média (MWIR) | 3.000 – 5.000 nm |
| Alcance infravermelho de onda longa (LWIR) | 8.000 – 14.000 nm |
2) Infravermelho de ondas curtas (SWIR)
As aplicações SWIR cobrem a faixa de 900 a 2300 nm.Ao contrário da luz MWIR e LWIR emitida pelo próprio objeto, o SWIR se assemelha à luz visível no sentido de que os fótons são refletidos ou absorvidos por um objeto, fornecendo assim o contraste necessário para imagens de alta resolução.Fontes de luz natural, como luz ambiente inicial e brilho de fundo (também conhecido como brilho noturno), são emissores de SWIR e fornecem excelente iluminação para imagens externas à noite.
Uma série de aplicações que são problemáticas ou impossíveis de executar usando luz visível são viáveis usando SWIR.Ao gerar imagens em SWIR, vapor de água, fumaça de fogo, neblina e certos materiais como o silício são transparentes.Além disso, as cores que parecem quase idênticas no visível podem ser facilmente diferenciadas usando SWIR.
A imagem SWIR é usada para diversas finalidades, como inspeção de placas eletrônicas e células solares, inspeção de produtos, identificação e classificação, vigilância, combate à falsificação, controle de qualidade de processos e muito mais.
3) Infravermelho de onda média (MWIR)
Os sistemas MWIR operam na faixa de 3 a 5 mícrons.Ao decidir entre sistemas MWIR e LWIR, vários fatores devem ser levados em consideração.Primeiro, os constituintes atmosféricos locais, como umidade e neblina, devem ser considerados.Os sistemas MWIR são menos afetados pela umidade do que os sistemas LWIR, por isso são superiores para aplicações como vigilância costeira, vigilância do tráfego de navios ou proteção portuária.
O MWIR tem maior transmissão atmosférica do que o LWIR na maioria dos climas.Portanto, o MWIR é geralmente preferível para aplicações de vigilância de longo alcance, superiores a 10 km de distância do objeto.
Além disso, o MWIR também é uma opção melhor se você deseja detectar objetos de alta temperatura, como veículos, aviões ou mísseis.Na imagem abaixo pode-se ver que as plumas quentes de exaustão são significativamente mais visíveis no MWIR do que no LWIR.
4) Infravermelho de onda longa (LWIR)
Os sistemas LWIR operam na faixa de 8 a 14 mícrons.Eles são preferidos para aplicações com objetos próximos à temperatura ambiente.As câmeras LWIR são menos afetadas pelo sol e, portanto, melhores para operação externa.Eles são normalmente sistemas não resfriados que utilizam microbolômetros Focal Plane Array, embora também existam câmeras LWIR resfriadas e usem detectores de Mercúrio Cádmio Telúrio (MCT).Em contraste, a maioria das câmeras MWIR requerem resfriamento, empregando nitrogênio líquido ou um resfriador de ciclo Stirling.
Os sistemas LWIR encontram um amplo número de aplicações, como inspeção de edifícios e infraestrutura, detecção de defeitos, detecção de gás e muito mais.As câmeras LWIR desempenharam um papel importante durante a pandemia de COVID-19, pois permitem a medição rápida e precisa da temperatura corporal.
5) Guia de seleção de substratos IR
Os materiais IR têm propriedades distintas que lhes permitem um bom desempenho no espectro infravermelho.Sílica fundida por infravermelho, germânio, silício, safira e sulfeto/seleneto de zinco, cada um com pontos fortes para aplicações infravermelhas.
Seleneto de Zinco (ZnSe)
O seleneto de zinco é um composto sólido amarelo claro que compreende zinco e selênio.É criado pela síntese de vapor de zinco e gás H2Se, formando folhas sobre um substrato de grafite.É conhecido por sua baixa taxa de absorção e que permite excelentes utilizações para lasers de CO2.
| Faixa de transmissão ideal | Aplicações ideais |
| 0,6 - 16μm | Lasers de CO2 e termometria e espectroscopia, lentes, janelas e sistemas FLIR |
Germânio (Ge)
O germânio tem aparência cinza escuro esfumaçado com índice de refração de 4,024 e baixa dispersão óptica.Possui uma densidade considerável com dureza Knoop (kg/mm2): 780,00, permitindo um bom desempenho para óptica de campo em condições adversas.
| Faixa de transmissão ideal | Aplicações ideais |
| 2 - 16μm | LWIR - MWIR Imagens térmicas (quando revestidas com AR), situações ópticas robustas |
Silício (S)
O silício tem aparência cinza-azulada com alta capacidade térmica que o torna ideal para espelhos de laser e pastilhas de silício para a indústria de semicondutores.Tem um índice de refração de 3,42.Os componentes de silício são usados em dispositivos eletrônicos porque suas correntes elétricas podem passar pelos condutores de silício muito mais rápido em comparação com outros condutores, é menos denso que Ge ou ZnSe.O revestimento AR é recomendado para a maioria das aplicações.
| Faixa de transmissão ideal | Aplicações ideais |
| 1,2 - 8μm | MWIR, imagem NIR, espectroscopia IR, sistemas de detecção MWIR |
Sulfeto de Zinco (ZnS)
O Sulfeto de Zinco é uma excelente escolha para sensores infravermelhos, pois transmite bem no espectro IR e visível.Normalmente é uma escolha econômica em relação a outros materiais IR.
| Faixa de transmissão ideal | Aplicações ideais |
| 0,6 - 18μm | LWIR - MWIR, sensores infravermelhos visíveis e de onda média ou longa |
A escolha do substrato e do revestimento antirreflexo dependerá de qual comprimento de onda requer transmitância principal em sua aplicação.Por exemplo, se você estiver transmitindo luz infravermelha na faixa MWIR, o germânio pode ser uma boa escolha.Para aplicações NIR, a safira pode ser ideal.
Outras especificações que você pode considerar na escolha da óptica infravermelha incluem propriedades térmicas e índice de refração.As propriedades térmicas de um substrato quantificam como ele reage ao calor.Freqüentemente, os elementos ópticos infravermelhos serão expostos a temperaturas muito variadas.Algumas aplicações de infravermelho também produzem uma grande quantidade de calor.Para determinar se um substrato IR é adequado para sua aplicação, você deverá verificar o gradiente do índice e o coeficiente de expansão térmica (CTE).Se um determinado substrato tiver um gradiente de índice alto, ele poderá ter um desempenho óptico abaixo do ideal quando usado em um ambiente termicamente volátil.Se tiver um CTE elevado, pode expandir-se ou contrair-se a uma taxa elevada devido a uma grande mudança de temperatura.Os materiais mais frequentemente utilizados em óptica infravermelha variam amplamente no índice de refração.O germânio, por exemplo, tem um índice de refração de 4,0003, comparado com 1,413 para o MgF.A disponibilidade de substratos com esta ampla faixa de índice de refração proporciona maior flexibilidade no projeto do sistema.A dispersão de um material IR mede a mudança no índice de comprimento de onda em relação ao comprimento de onda, bem como a aberração cromática ou a separação do comprimento de onda.A dispersão é quantificada, inversamente, com o número de Abbe, que é definido como a razão entre o índice de refração no comprimento de onda d menos 1, sobre a diferença entre o índice de refração nas linhas f e c.Se um substrato tiver um número Abbe superior a 55, é menos dispersivo e chamamos-lhe material de coroa.Substratos mais dispersivos com números de Abbe inferiores a 55 são chamados de materiais sílex.
Aplicações de óptica infravermelha
A óptica infravermelha tem aplicações em vários campos, desde lasers de CO2 de alta potência, que funcionam a 10,6 μm, até câmeras de imagem térmica de visão noturna (bandas MWIR e LWIR) e imagens infravermelhas.Eles também são importantes em espectroscopia, pois as transições usadas na identificação de muitos gases residuais estão na região do infravermelho médio.Produzimos linhas ópticas de laser, bem como componentes infravermelhos que funcionam bem em uma ampla faixa de comprimento de onda, e nossa equipe experiente pode fornecer suporte completo e consultoria de projeto.
A Paralight Optics está usando uma variedade de técnicas avançadas de processamento, como torneamento de diamante de ponto único e polimento CNC, para produzir lentes ópticas de alta precisão de silício, germânio e sulfeto de zinco que encontram aplicações em câmeras MWIR e LWIR.Somos capazes de atingir precisões inferiores a 0,5 franjas PV e rugosidade na faixa inferior a 10 nm.
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Horário da postagem: 25 de abril de 2023
