Lentille infrarouge: Sélection et propriété des matériaux

 

Aperçu

Les lentilles infrarouges font référence aux lentilles utilisées pour réfléchir, réfracter, et transmettre la lumière infrarouge. Il utilise des propriétés physiques uniques pour réaliser le contrôle de la lumière infrarouge, c'est donc d'une grande importance dans le domaine de l'optique infrarouge. En raison du problème de transmission, il n'existe que quelques matériaux disponibles pour une utilisation dans la gamme de longueurs d'onde infrarouges, comme Si, Ge, ZnSe, ZnS, et MgF2.

 

En général, la dureté Knoop du verre à lumière visible est comprise entre 300-700. Plus le matériau est dur, plus il faut de temps pour meuler et polir la lentille optique. Parmi les matériaux verriers couramment utilisés dans le domaine de l’imagerie thermique infrarouge, la dureté de Ge est 780 , tandis que la dureté du Si a atteint 1150. Par rapport à la lumière visible, la dureté de la lentille optique d'imagerie thermique infrarouge est beaucoup plus élevée, la difficulté de son processus de broyage et de ses heures de travail est donc bien plus grande que celle de la lumière visible. Bien que Ge et Si soient tous deux des matériaux durs, mais aussi très fragile. Cela les rend sujets à la casse pendant les processus de production et de transformation., entraînant une baisse du rendement. Donc, des exigences strictes sont imposées aux techniques de traitement; en outre, le coût au gramme de ces matériaux est relativement élevé, rendant les risques de traitement importants.

 

Propriété

1.dur
2.fragile
3.le matériau a un coût élevé

L'essai de dureté Knoop est particulièrement adapté au test de matériaux durs et cassants. Il peut également être utilisé pour déterminer la profondeur effective des couches de durcissement superficielles.. Il est applicable pour tester la dureté des petites pièces, petites zones, matériaux fins, fils fins, dureté près des bords de la lame, couches de placage, et matériaux dentaires.

 

 

matériau commun

 

Matériel Ge

 

Le symbole chimique du germanium: Ge, est un métalloïde blanc grisâtre, brillant, dur, appartenant à la famille du carbone, et possède des propriétés non métalliques évidentes. Ge a des propriétés chimiques stables et ne réagit pas avec l'air ou la vapeur d'eau à température ambiante.

 

Le verre Ge a de bonnes performances de transmission de la lumière à 2-16um. En déposant des revêtements optiques sur du verre Ge, sa transmission peut être considérablement augmentée tout en réduisant la réflectivité à la surface du verre. Cependant, Le verre Ge ne peut pas transmettre la lumière dans la plage de longueurs d'onde de la lumière visible.

 

Ge a un contenu d'environ 0.0007% dans la croûte terrestre, ce qui en fait l'un des éléments les plus dispersés de la croûte. Il existe peu de minerais de germanium concentrés. Une quantité importante de Ge existe dans divers minerais de silicate métallique, minerais sulfurés, et différents types de charbon sous forme dispersée; certains cuivres, fer, les minerais sulfurés et les minerais d'argent contiennent également du Ge; Des traces de Ge peuvent être trouvées dans les roches, sols, et eau de source; des quantités limitées de Ge sont présentes dans de nombreuses plantes. Ge est largement utilisé dans les domaines de l'électronique, optique, industrie chimique, biomédecine, énergie, et autres industries de haute technologie.

 

En tant que matériau infrarouge, Ge peut être utilisé dans les gammes LWIR et MWIR. Dans la gamme LWIR, c'est la lentille positive de la lentille doublet achromatique; pendant que je suis dans le MWIR, c'est la lentille négative de la lentille doublet achromatique. Cela est dû à la différence dans ses caractéristiques de dispersion dans les deux plages de longueurs d'onde.. Dans la gamme MWIR, Ge est très proche de sa bande de faible absorption, entraînant des changements rapides de son indice de réfraction et une dispersion importante. Cela le rend approprié comme élément de puissance négative dans une lentille doublet achromatique..

 

Le Ge est un matériau cristallin qui peut être produit sous forme de monocristaux ou de polycristaux.. En fonction du processus de croissance, Le Ge monocristallin est plus cher que le Ge polycristallin. L'indice de réfraction du Ge polycristallin n'est pas assez uniforme, principalement dû aux impuretés aux joints de grains, ce qui peut affecter la qualité de l'image sur le FPA. Donc, Le Ge monocristallin est préféré. À des températures élevées, Le matériau Ge devient absorbant, et son rapport de transmission s'approche de zéro à 200°C.

 

Ge a une dureté Knoop élevée et est souvent utilisé dans les systèmes infrarouges nécessitant une intensité élevée. En raison de son indice de réfraction élevé, des revêtements antireflet sont souvent appliqués sur Ge, avec des plages de longueurs d'onde couramment utilisées de 3-12 µm ou 8-12 µm. La transmission du Ge diminue avec l'augmentation de la température, et à proprement parler, sa température de fonctionnement optimale est inférieure 100 degré Celsius. Lorsqu'il est appliqué à un système sensible aux exigences de poids, les concepteurs devraient prendre en compte les caractéristiques de haute densité du Ge. Le rapport taille de la lentille/épaisseur doit respecter les proportions de traitement., tandis que le poids doit répondre aux exigences de conception.

 

 

 

 

 

Matériau Si

Le monocristal de Si est couramment utilisé comme substrat pour les fenêtres optiques infrarouges à ondes moyennes de 3 à 5 μm et les filtres optiques. En raison de sa bonne conductivité thermique et de sa faible densité, il est souvent utilisé dans la production de miroirs laser et d'occasions sensibles au volume et au poids.

 

L'indice de réfraction du Si est légèrement inférieur à celui du Ge, mais il reste suffisamment élevé pour contrôler les aberrations. En plus, Le Si a une dispersion relativement faible. Si peut être transformé en diamant.

L’un des inconvénients du silicium et de certains autres matériaux cristallins est qu’ils sont cassants et fragiles..

 

 

 

ZnS

 

Le ZnS est un matériau avec une bonne uniformité et cohérence de l'indice de réfraction, et a de bonnes performances de transmission d'image dans le 8-12 bande μm, mais il commence à être partiellement absorbé après 10 µm. Le matériau a également une transmission élevée dans l'infrarouge moyen, mais l'absorption et la diffusion augmentent à mesure que les longueurs d'onde deviennent plus courtes. Comparé au ZnSe, ZnS a une dureté élevée, deux fois la résistance à la rupture du ZnSe, et forte résistance aux environnements difficiles.

 

Le ZnS est généralement jaune rouille et translucide à la lumière visible. Le ZnS fabriqué par pressage à chaud peut être transparent à la lumière visible. Le ZnS transparent peut être utilisé pour fabriquer des fenêtres et des lentilles multispectrales du visible aux bandes LWIR.

 

Le ZnS est un matériau transparent infrarouge transparent. Il a une transmission stable dans la bande infrarouge et possède d'excellentes propriétés optiques, et est l'un des principaux matériaux pour fabriquer des fenêtres infrarouges. Dans le processus de fabrication infrarouge, Le ZnS peut être utilisé par des techniques de dépôt de couches minces pour augmenter son effet de réflexion infrarouge. Les matériaux ZnS sont largement utilisés dans la fabrication de capteurs infrarouges, lentilles optiques, imageurs thermiques, carénages et composants optiques infrarouges.

 

 

 

ZnSe

 

Le ZnSe est un matériau de film réfléchissant les infrarouges couramment utilisé., et sa plage de longueurs d'onde de réflexion est 2-14 µm. Il présente les avantages d'une transmission élevée, processus de préparation simple, bonne résistance à la corrosion et résistance à l'usure. Le film ZnSe peut également être utilisé avec d'autres types de matériaux de lentilles infrarouges pour augmenter l'effet de réflexion infrarouge.. Les lentilles ZnSe sont utilisées dans les capteurs infrarouges, imageurs thermiques, et divers systèmes de contrôle infrarouge.

 

Parce que le ZnSe a un faible coefficient d'absorption et un coefficient de dilatation thermique élevé, il est généralement utilisé comme matériau de base des réflecteurs et des séparateurs de faisceaux. Cependant, puisque le ZnSe est relativement mou (Dureté du bouton de 120) et facile à gratter, il n'est pas recommandé de l'utiliser dans des environnements difficiles. Faites attention à une force uniforme lors du maintien et du nettoyage, et il est préférable de porter des doigtiers ou des gants.

 

 

 

Fluorure

 

MgF2

MgF2 est également un matériau cristallin. Son matériau cristallin transmet la bande spectrale de l'UV au MWIR. MgF2 peut être produit par croissance cristalline ou “pressage à chaud”, résultant en un matériau vitreux laiteux. Il transmet bien dans la bande MWIR, mais il peut y avoir une dispersion indésirable, provoquant une perte de contraste et une lumière parasite hors axe.

 

CuF2

CuF2 est un matériau absorbant les infrarouges courant. Il peut absorber la bande infrarouge de 2 à 14 μm, et peut réduire la transmission dans la région du spectre visible en même temps. Donc, les filtres infrarouges en CuF2 peuvent être utilisés dans les systèmes anti-éblouissants et d'imagerie thermique pour filtrer la lumière visible et les interférences infrarouges afin d'obtenir de meilleurs résultats de détection infrarouge. Les matériaux CuF2 peuvent également être utilisés dans les lentilles optiques et les fenêtres infrarouges et dans d'autres domaines.

 

CaF2

CaF2 a une transmission élevée entre l'ultraviolet et l'infrarouge moyen (250nm~7μm), il est donc largement utilisé dans la fabrication de prismes, fenêtres et lentilles, etc.. Dans certaines applications avec une large gamme spectrale, il peut être directement utilisé sans revêtement. En particulier, il a une faible absorption et un seuil laser élevé, ce qui est très approprié pour le système optique laser excimer.

 

BaF2

La plage de transmission de la lumière du cristal BaF2 est large, et la transmission de la lumière est bonne dans la plage de longueurs d'onde de 0,13 μm ~ 14 μm. Les propriétés du monocristal et du polycristallin sont fondamentalement les mêmes, et le matériau est difficile à produire du monocristal, donc le prix du monocristal est le double de celui du polycristallin. Le cristal BaF2 est un matériau idéal pour fabriquer des composants optiques tels que diverses fenêtres optiques, prismes et lentilles. Il peut être utilisé dans les fenêtres d'armoires de distribution d'énergie infrarouge, Fenêtres d'analyse des gaz de Fourier, détection de pétrole et de gaz, lasers haute puissance, instruments optiques, etc..

 

 

Saphir

 

 

Le saphir est un matériau extrêmement dur. Il transmet la lumière des UV profonds au MWIR. Une propriété unique du saphir est sa très faible émissivité thermique à haute température.. Cela signifie qu'à haute température, le matériau émet moins de rayonnement thermique que les autres matériaux.. Le saphir peut être utilisé pour fabriquer des fenêtres à cavité qui résistent à des températures élevées et conviennent au passage des fenêtres dans la bande infrarouge..
Le principal inconvénient du saphir est que sa dureté rend le traitement optique difficile.. Un autre matériau similaire est appelé spinelle. Le spinelle a un effet similaire au saphir pressé à chaud et peut être utilisé à la place du saphir.. La pierre spinelle a également une dispersion élevée.

 

Les domaines d'application du saphir concernent principalement les matériaux de substrat LED, électronique grand public et applications militaires. C'est un matériau important pour soutenir le développement des économies d'énergie, protection environnementale, informatique de nouvelle génération, véhicules à énergie nouvelle et autres industries.