Quels sont les matériaux infrarouges thermiques disponibles?

November 04, 2023

L'imagerie du matériau infrarouge thermique se réfère généralement à l'imagerie infrarouge moyenne (MWIR) à 3-5 μm et à l'imagerie infrarouge (LWIR) FAR (LWIR) à 8-10 μm. Dans ces bandes, l'accent est mis sur les sources de chaleur plutôt que sur la lumière visible. Il existe de nombreuses applications différentes de l'imagerie infrarouge thermique, telles que des tests non destructeurs, des caméras infrarouges qui peuvent capturer l'emplacement de la surchauffe de l'équipement ou de la perte de chaleur de construction, des différences dans les températures de surface du corps local qui peuvent être mesurées dans le domaine médical, identification rapide de Points de fuite de chaleur dans le système de refroidissement des centrales nucléaires et protection contre la sécurité.

Il existe de nombreux types de verre disponibles pour les systèmes légers visibles, mais seul un nombre très limité de matériaux peut être utilisé efficacement dans les bandes MWIR et LWIR. La figure 18.107 montre la transmittance des matériaux de transmission infrarouge couramment utilisés. Ces données incluent la perte de réflexion à la surface, entraînant ainsi une transmittance relativement élevée après l'application d'un film antiréfléchier efficace. Seul un type de matériau en verre très limité peut être utilisé efficacement dans les bandes MWIR et LWIR. Le tableau 18.9 répertorie les matériaux optiques infrarouges thermiques couramment utilisés et leurs principales caractéristiques. La constante ABBE V est définie comme (n1 λ- 1) / (n1 λ- nh λ), dans l'équation, l'indice de réfraction NC λ à la longueur d'onde centrale, N1 λ est l'indice de réfraction de la longueur d'onde courte, NH λ est l'indice de réfraction de longues longueurs d'onde.

Il existe plusieurs matériaux infrarouges thermiques couramment utilisés:

Le germanium est le matériau infrarouge le plus courant et peut être utilisé dans les bandes LWIR et MWIR. Dans la bande LWIR, il s'agit de la "plaque de la couronne" ou de la lentille positive dans les lentilles doubles achromatiques; Dans MWIR, il s'agit de la lentille "silex" ou négative dans les doubles lentilles achromatiques. Cela est dû à la différence de caractéristiques de dispersion entre les deux bandes. Dans la bande MWIR, le germanium est très proche de sa bande d'absorption faible, donc son indice de réfraction change rapidement, conduisant à une dispersion significative. Cela le rend approprié en tant que composant de puissance négatif dans les lentilles doubles achromatiques.

(1) Matériel germanium:

Le germanium est le matériau infrarouge le plus courant et peut être utilisé dans les bandes LWIR et MWIR. Dans la bande LWIR, il s'agit de la "plaque de la couronne" ou de la lentille positive dans les lentilles doubles achromatiques; Dans MWIR, il s'agit de la lentille "silex" ou négative dans les doubles lentilles achromatiques. Cela est dû à la différence de caractéristiques de dispersion entre les deux bandes. Dans la bande MWIR, le germanium est très proche de sa bande d'absorption faible, donc son indice de réfraction change rapidement, conduisant à une dispersion significative. Cela le rend approprié en tant que composant de puissance négatif dans les lentilles doubles achromatiques.

Les matériaux de germanium ont deux paramètres importants: l'indice de réfraction et DN / DT. L'indice de réfraction du germanium est légèrement supérieur à 4,0, ce qui signifie que les surfaces peu profondes sont raisonnables et faciles à réduire les différences de phase, ce qui est bénéfique pour la conception. Le paramètre DN / DT est le changement de l'indice de réfraction et de la température. Le DN / DT du germanium est de 0,000369c. Il s'agit d'une grande valeur, dn / dt = 0,000360c pour le verre ordinaire. Cela peut provoquer un grand décalage focal qui varie avec la température, nécessitant généralement une technique de non-chauffage (compensation du point focal par rapport à la température).

Le germanium est un matériau cristallin généré sous forme unique ou polycristalline. Selon le processus de croissance, le germanium monocusstal est plus cher que le germanium polycristallin. L'indice de réfraction du germanium polycristallin n'est pas suffisamment uniforme, principalement causé par des impuretés à la limite des particules, ce qui peut affecter la qualité d'image de l'imagerie FPA. Par conséquent, le germanium monocusstal est le matériau préféré. À des températures élevées, les matériaux de germanium deviennent absorbants et la transmittance s'approche de zéro à 200 ° C.

Le coefficient de non-uniformité de l'indice de réfraction en germanium monocristallin est de 0,00005 ~ 0,0001, tandis que celui du germanium polycristallin est de 0,0001 ~ 0,00015. À des fins optiques, généralement ώ. Le coefficient de résistance du germanium est spécifié en CM, et le coefficient de résistance de l'ensemble du blanc est de 5 à 40 ώ. CM est généralement acceptable. La figure 18.109 montre un blanc de germanium typique avec une zone polycristalline à droite. Veuillez noter que le coefficient de résistance dans la région monocristalline se comporte normalement et change lentement radialement, tandis que le coefficient de résistance dans la région polycristalline change rapidement. Si une caméra infrarouge appropriée est utilisée pour observer le matériau, d'étranges images tourbillonnantes similaires aux toiles d'araignée peuvent être vues, qui sont principalement concentrées aux limites des particules. Cela est dû aux impuretés induites à la frontière. L'une des lacunes du silicium et de quelques autres matériaux cristallins est leur fragilité et leur fragilité.

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(2) Matériau en silicium
Le silicium est un matériau cristallin similaire au germanium. Il est principalement utilisé dans la bande MWIR de 3-5 μm, et il y a une absorption dans la bande LWIR de 8-12 μm. L'indice de réfraction du silicium est légèrement inférieur à celui du germanium, mais il est encore suffisamment grand pour faciliter le contrôle d'aberration. De plus, la dispersion du silicium est relativement faible. Le silicium peut être tourné par diamant.
(3) sulfure de zinc
Le sulfure de zinc est un matériau couramment utilisé dans les bandes MWIR et LWIR. Il semble généralement jaune rouillé et semi-transparent à la lumière visible. Le processus le plus courant pour produire du sulfure de zinc est appelé précipitation chimique à la vapeur.
Le sulfure de zinc fabriqué par pressage chaud peut être transparent à la lumière visible. Le sulfure de zinc transparent peut être utilisé pour fabriquer des fenêtres multispectrales et des lentilles de la lumière visible aux bandes LWIR.
(4) séléniure de zinc
Le séléniure de zinc est similaire au sulfure de zinc dans de nombreux aspects. Son indice de réfraction est légèrement plus élevé que le sulfure de zinc, tandis que sa structure n'est pas aussi robuste que le sulfure de zinc. Par conséquent, compte tenu des raisons de durabilité environnementale, parfois une fine couche de sulfure de zinc est déposée sur un substrat de sélénide de zinc épais. Par rapport au sulfure de zinc, l'avantage le plus significatif du sélénide de zinc est son coefficient d'absorption extrêmement petit, le sélénide de zinc est donc généralement utilisé dans les systèmes d'énergie de CO2 à haute énergie.

(5) fluorure de magnésium
Le fluorure de magnésium est également un matériau cristallin. Son matériau cristallin peut transmettre la gamme spectrale de l'ultraviolet à MWIR. Le fluorure de magnésium peut être produit par la croissance cristalline ou les méthodes de «pressage chaud», ce qui entraîne la formation de matériaux vitreux laiteux. Il a une bonne transmission dans la bande MWIR, mais peut avoir une diffusion indésirable, entraînant une diminution du contraste et de la lumière errante de l'axe hors de l'axe. La diffusion des particules est inversement proportionnelle à la quatrième puissance de la longueur d'onde, de sorte que l'apparence laiteuse sous la lumière visible se rétrécira de 1/16 à 5UM.
C501545f8816da6744a0fe5efc53bb5 Jpg (6) saphir

Le saphir est un matériau extrêmement difficile. Il peut transmettre la lumière des UV profonds aux bandes MWIR. Une caractéristique unique du saphir est sa faible émissivité thermique à des températures élevées. Cela signifie que les matériaux émettent moins de rayonnement thermique que les autres matériaux à des températures élevées. Le saphir peut être utilisé pour créer des fenêtres de cavité qui résistent à des températures élevées, adaptées à la bande infrarouge à travers les fenêtres. L'inconvénient principal du saphir est que sa dureté rend difficile le traitement optique. Un autre matériau similaire est appelé spinelle. Le spinelle est similaire en vigueur au saphir pressé chaud et peut être utilisé comme substitut du saphir. Les pierres de spinelle ont également une dispersion élevée. Le saphir a des caractéristiques de biréfringence et son indice de réfraction est fonction de la surface de polarisation incidente.

(7) Trisulfure d'arsenic

Le trisulfure d'arsenic est un matériau qui peut être utilisé dans les bandes MWIR et LWIR. Il a une apparence rouge profond et est très cher.

(8) Autres documents disponibles

Il existe de nombreux autres matériaux disponibles, notamment le fluorure de calcium, le fluorure de baryum, le fluorure de sodium, le fluorure de lithium et le bromure de potassium. Ces matériaux peuvent être utilisés dans les bandes de l'ultraviolet profond à l'infrarouge à ondes moyennes. Leurs caractéristiques de couleur les rendent très attrayants pour les applications spectrales larges, en particulier de l'infrlate proche à l'infrarouge médian et même très infrarouge. Beaucoup de ces matériaux ont des propriétés indésirables, en particulier l'hygroscopicité. Un revêtement approprié est nécessaire pour éviter les dommages à l'humidité, et leur structure nécessite souvent une purification avec de l'azote gazeux sec.