適用于紅外 (IR) 應(yīng)用的正確材料

紅外 (IR) 簡(jiǎn)介

紅外 (IR) 照射的特征是波長(zhǎng)介于 0.750 -1000μm (750 - 1000000nm) 之間。由于對(duì)檢測(cè)器范圍的限制，IR照射通常分為以下三個(gè)較小的區(qū)域：0.750 - 3μm、3 - 30μm 和 30 - 1000μm 分別定義為近紅外 (NIR)、中波紅外 (MWIR) 與遠(yuǎn)紅外 (FIR)（圖 1）. 紅外產(chǎn)品 廣泛用于從熱成像中的 IR 信號(hào)檢測(cè)到 IR 光譜學(xué)中的元素識(shí)別等多種應(yīng)用。隨著 IR 應(yīng)用需求的發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，制造商已開(kāi)始使用 IR 材料設(shè)計(jì)平面光學(xué)元件（例如 (i.e. 窗口片, 反射鏡, 偏振片, 分光鏡, 棱鏡), 球面透鏡 (例如平凹/平凸透鏡、雙凹/雙凸透鏡、彎月透鏡), 非球面透鏡 (拋物面、雙曲面、混合透鏡), 消色差透鏡, 以及 裝配組件 (例如成像鏡頭、擴(kuò)束器、目鏡、物鏡). 這些 IR 材料或基底的物理特性各不相同。因此，了解每種材料的優(yōu)點(diǎn)可為任何 IR 應(yīng)用選擇正確的材料.

圖 1: 電磁波譜

使用正確材料的重要性

由于構(gòu)成紅外光的波長(zhǎng)長(zhǎng)于可見(jiàn)光，因此在通過(guò)相同的光學(xué)介質(zhì)傳播時(shí)，這兩個(gè)區(qū)域的行為不同。有些材料可用于 IR 應(yīng)用或可見(jiàn)光應(yīng)用（引人注目的是熔融石英, BK7 和 藍(lán)寶石; 但是，使用更適合所執(zhí)行任務(wù)的材料可以?xún)?yōu)化光學(xué)系統(tǒng)的性能。如需了解這一概念，請(qǐng)考慮透射率、折射率、色散與梯度折射率。如需了解更多有關(guān)規(guī)格與性質(zhì)的詳細(xì)信息，請(qǐng)查看光學(xué)玻璃.

透射率

定義任何材料時(shí)，重要的屬性就是透射率。透射率是光通量的衡量指標(biāo)，由入射光的百分比。IR 材料在可見(jiàn)光區(qū)域通常是不透明的，而可見(jiàn)光材料在 IR 通常也是不透明的；換言之，這些材料在這些波長(zhǎng)區(qū)域展示出的透射率接近 0%。舉例而言，請(qǐng)考慮 硅, 它能透射 IR，但不能透射可見(jiàn)光（圖 2）.

圖 2: 無(wú)鍍膜硅的透射率曲線

折射率

雖然主要根據(jù)透射率將材料歸類(lèi)為 IR 材料或可見(jiàn)光材料，但是折射率 (nd) 也是重要屬性。折射率是指光在真空中的速度與光在介質(zhì)中的速度之比。使用折射率可以量化光線從低折射率介質(zhì)進(jìn)入高折射率介質(zhì)時(shí)“減緩速度”的效果。它也可以指出以?xún)A斜方向射向表面時(shí)折射的光線量，nd 越高，折射的光線越多（圖 3）.

圖 3:從低折射率介質(zhì)到高折射率介質(zhì)的光線折射

可見(jiàn)光材料的折射率大約介于 1.45 - 2 之間，IR 材料的折射率大約介于 1.38 - 4 之間。在許多情況下，折射率與密度存在正相關(guān)關(guān)系，這意味著 IR 材料較可見(jiàn)光材料更重；但是，更高的折射率也意味著可以使用更少的透鏡元件（從而降低整體系統(tǒng)重量與成本）實(shí)現(xiàn)衍射極限性能.

色散

色散用于衡量材料的折射率隨波長(zhǎng)變化的幅度有多大。它還能確定對(duì)產(chǎn)生色像差的波長(zhǎng)進(jìn)行的分離。定量而言，色散與色散系數(shù) (vd) 成反比，是材料在 f (486.1nm)、d (587.6nm) 和 c (656.3nm) 波長(zhǎng)時(shí)折射率的函數(shù)（等式 1）.

色散系數(shù)大于 55（色散較少）的材料視為冕材料，色散系數(shù)小于 50（較多色散）的材料視為火石材料?？梢?jiàn)光材料的色散系數(shù)大約介于 20 - 80 之間，IR 材料的色散系數(shù)大約介于 20 - 1000 之間.

折射率梯度

介質(zhì)的折射率會(huì)隨著溫度的變化而不同。系統(tǒng)在不穩(wěn)定的環(huán)境中工作時(shí)，此折射率梯度 (dn/dT) 可能會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題，尤其是在系統(tǒng)針對(duì)單一 n 值進(jìn)行設(shè)計(jì)的情況下，更是如此。遺憾的是，IR 材料的 dn/dT 值通常大于可見(jiàn)光材料, 紅外比較表)內(nèi)的“重要材料屬性”表中對(duì)能用于可見(jiàn)光的 N-BK7 與只能透射 IR 的（鍺材料進(jìn)行了比較.

如何選擇正確的材料

選擇正確的 IR 材料時(shí)，有三個(gè)簡(jiǎn)單的要點(diǎn)需要考慮。雖然選擇流程更簡(jiǎn)單，因?yàn)榕c可見(jiàn)光相比，對(duì)用于紅外光的材料進(jìn)行實(shí)際選擇的范圍會(huì)小得多，但是這些材料通常會(huì)基于制造和材料成本等原因而更為昂貴.

01.熱性質(zhì) – 光學(xué)材料經(jīng)常放置在溫度發(fā)生變化的環(huán)境中。此外，人們普遍擔(dān)心的一點(diǎn)是 IR 應(yīng)用常常會(huì)產(chǎn)生大量的熱。應(yīng)該對(duì)材料的折射率梯度和熱膨脹系數(shù) (CTE) 進(jìn)行評(píng)估，以確保提供所需的性能來(lái)滿(mǎn)足用戶(hù)。CTE 是材料在溫度變化時(shí)發(fā)生膨脹或收縮的比率。例如，鍺材料的折射率梯度非常高，如果在熱不穩(wěn)定的環(huán)境中使用，可能會(huì)導(dǎo)致光學(xué)性能降級(jí).

02.透射率 – 不同的應(yīng)用可在不同的 IR 光譜區(qū)域中進(jìn)行作業(yè)。視所用的波長(zhǎng)而定，某些 IR 基底的性能更好（圖 4）。例如，如果系統(tǒng)將在 MWIR 區(qū)域進(jìn)行作業(yè)，則使用鍺 材料比使用藍(lán)寶石更理想，后者更加適用于 NIR 區(qū)域.

03.折射率 – IR 材料在折射率方面的變化遠(yuǎn)大于可見(jiàn)光材料，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面更有彈性，可進(jìn)行更多變化?？梢?jiàn)光材料（例如 N-BK7）適用于整個(gè)可見(jiàn)光光譜，但 IR 材料與此不同，通常僅適用于 IR 光譜內(nèi)的窄小頻帶，尤其是在應(yīng)用增透膜時(shí)，更是如此.至少1米的安全距離,疫情之下優(yōu)良的出行方式是，開(kāi)車(chē)，騎車(chē)，走著。

圖 4: 紅外基底比較（適用于 N-BK7 的波長(zhǎng)范圍也適用于可見(jiàn)光波長(zhǎng)所用的諸如 B270、N-SF11、BOROFLOAT® 等絕大部分基底)

紅外比較

雖然存在很多 IR 材料，但是其中只有一小部分主要供光學(xué)元件、成像和光電行業(yè)用于制造現(xiàn)成可用型元件。氟化鈣, 熔融石英, 鍺材料, 氟化鎂, N-BK7, 溴化鉀, 藍(lán)寶石, 硅, 氯化鈉, 硒化鋅 和硫化鋅都有自己*的屬性，這些屬性不僅能使這些材料彼此區(qū)分，還能使其適用于特定應(yīng)用。以下表格提供了一些常用基底的比較.