赤外線レンズ: 材料の選択と特性

 

概要

赤外線レンズとは、反射するために使用されるレンズを指します。, 屈折する, 赤外線を透過します. 独自の物性を利用して赤外線の制御を実現, したがって、赤外線光学の分野では非常に重要です。. 透過率の問題で, 赤外線波長範囲で使用できる材料はわずかしかありません, シなどの, ゲ, ZnSe, ZnS, およびMgF2.

 

一般的に, 可視光ガラスのヌープ硬度は次のとおりです。 300-700. 素材が硬いほど, 光学レンズの研削と研磨に時間がかかるほど. 赤外線サーマルイメージングの分野で一般的に使用されるガラス材料の中で, Ge の硬度は 780 , Siの硬度に達するまでの間 1150. 可視光と比べて, 赤外線熱画像光学レンズの硬度ははるかに高い, そのため、研削プロセスの難易度や作業時間は可視光に比べてはるかに長くなります。. GeもSiも硬い材料ですが、, しかし非常にもろい. そのため、製造や加工の過程で破損しやすくなります。, 収量の減少につながる. したがって, 加工技術には厳しい要件が課されます; 加えて, これらの材料のグラム当たりのコストは比較的高い, 処理リスクが重大になる.

 

財産

1.難しい
2.脆い
3.材料のコストが高い

ヌープ硬度試験は、硬くて脆い材料の試験に特に適しています。. 表面硬化層の有効深さを決定するためにも使用できます。. 小さな部品の硬さ検査に適しています。, 小さなエリア, 薄い素材, 細いワイヤー, 刃先付近の硬さ, めっき層, および歯科材料.

 

 

共通の素材

 

ゲル素材

 

ゲルマニウムの元素記号: ゲ, 灰白色の半金属です, 光沢のある, 難しい, 炭素族に属する, 明らかな非金属特性を持っています. Ge は安定した化学的性質を持ち、室温では空気や水蒸気と反応しません。.

 

Ge ガラスは 2 ～ 16um で良好な光透過性能を持っています. Geガラス上に光学コーティングを蒸着することにより, ガラス表面の反射率を低減しながら、透過率を大幅に高めることができます。. しかし, Geガラスは可視光波長域の光を透過できません.

 

Ge の含有量は約 0.0007% 地球の地殻の中で, 地殻内で最も分散している元素の 1 つです. 濃縮されたゲルマニウム鉱石はほとんどありません. さまざまな金属ケイ酸塩鉱石中にはかなりの量の Ge が存在します, 硫化鉱石, 分散形態のさまざまな種類の石炭; ある種の銅, 鉄, 硫化鉱石や銀鉱石にもGeが含まれています; 微量の Ge が岩石中に存在する, 土壌, そして湧き水; 多くの植物には限られた量のGeが存在します. Geはエレクトロニクス分野で広く使用されています, 光学, 化学工業, 生物医学, エネルギー, およびその他のハイテク産業.

 

赤外線素材として, Ge は LWIR および MWIR 範囲で使用可能. LWIR範囲内, 色消しダブレットレンズの中の正レンズです; MWIRにいる間, 色消しダブレットレンズの負レンズです. これは、2 つの波長範囲における分散特性の違いによるものです。. MWIR範囲内, Ge はその低吸収バンドに非常に近い, その結果、屈折率が急激に変化し、分散が大きくなります。. これにより、色消しダブレットレンズの負のパワー要素として適しています。.

 

Ge は、単結晶または多結晶の形で生成できる結晶材料です。. 成長過程に応じて, 単結晶 Ge は多結晶 Ge より高価です. 多結晶Geの屈折率は十分に均一ではありません, 主に粒界の不純物によるもの, FPA の画質に影響を与える可能性があります. したがって, 単結晶Geが好ましい. 高温時, Ge 材料が吸収性になる, 200℃では伝達比がゼロに近づきます。.

 

Ge はヌープ硬度が高く、高強度を必要とする赤外線システムでよく使用されます。. 屈折率が高いため、, 反射防止コーティングは Ge に適用されることが多い, 一般的に使用される波長範囲では、 3-12 μmまたは 8-12 μm. Ge の透過率は温度の上昇とともに減少します, そして厳密に言えば, 最適な動作温度は以下です 100 摂氏. 重量要件に敏感なシステムに適用する場合, 設計者は Ge の高密度特性を考慮する必要があります. レンズのサイズと厚さの比率は、加工比率に従う必要があります。, 重量は設計要件を満たす必要がありますが、.

 

 

 

 

 

Si材質

Si単結晶は、3～5μmの中波赤外光学窓や光学フィルターの基板としてよく使用されます。. 熱伝導率が良く、密度が低いため、, レーザーミラーの製造や、体積や重量が重要な用途によく使用されます。.

 

Siの屈折率はGeの屈折率よりわずかに低い, しかし、収差を制御するにはまだ十分に高い値です. さらに, Siは比較的分散が低い. Siはダイヤモンド旋削可能.

シリコンやその他の結晶材料の欠点の 1 つは、脆くて壊れやすいことです。.

 

 

 

ZnS

 

ZnS は屈折率の均一性と一貫性が優れた材料です。, 優れた画像伝送性能を備えています。 8-12 μm帯, しかし、その後部分的に吸収され始めます 10 μm. 中間赤外線の透過率も高い素材です。, ただし、波長が短くなるにつれて吸収と散乱が増加します. ZnSeとの比較, ZnSは硬度が高い, ZnSeの2倍の破壊強度, 過酷な環境に対する強い耐性.

 

ZnS は一般に錆びた黄色で、可視光に対して半透明です。. ホットプレスで作られたZnSは可視光に対して透明です. 透明な ZnS を使用して、可視帯域から LWIR 帯域までのマルチスペクトル ウィンドウおよびレンズを製造できます。.

 

ZnSは透明な赤外透過材料です. 赤外域で安定した透過率を有し、優れた光学特性を持っています。, 赤外線窓を作るための主要な材料の 1 つです。. 赤外線製造工程において, ZnS は、薄膜堆積技術によって赤外線反射効果を高めるために使用できます。. ZnS 材料は赤外線センサーの製造に広く使用されています, 光学レンズ, 熱画像装置, フェアリングと赤外線光学部品.

 

 

 

ZnSe

 

ZnSeは一般的に使用される赤外線反射膜材料です, その反射波長範囲は 2-14 μm. 透過率が高いというメリットがあります, 簡単な準備プロセス, 優れた耐食性と耐摩耗性. ZnSe フィルムは、赤外線反射の効果を高めるために、他のタイプの赤外線レンズ材料と併用することもできます。. ZnSeレンズは赤外線センサーに使用されています, 熱画像装置, 各種赤外線制御システム.

 

ZnSeは吸収係数が低く、熱膨張係数が高いため, 通常、リフレクターやビームスプリッターの基材として使用されます。. しかし, ZnSeは比較的柔らかいので (ヌープ硬度 120) そして傷がつきやすい, 過酷な環境での使用はお勧めできません. 保持時や清掃時は均一な力に注意してください, 指サックや手袋を着用するのが最善です.

 

 

 

フッ素

 

MgF2

MgF2 も結晶材料です. その結晶材料は、UV から MWIR までのスペクトル帯域を透過します。. MgF2 は結晶成長または “ホットプレス”, 乳白色のガラス状物質が得られる. MWIR帯域で良好に送信します, ただし、不要な散乱が発生する可能性があります, コントラストの損失と軸外の迷光の原因となる.

 

CuF2

CuF2 は一般的な赤外線吸収材料です. 2～14μmの赤外線帯域を吸収します。, 同時に可視スペクトル領域の透過率を下げることができます. したがって, CuF2 製の赤外線フィルターをアンチグレアおよび熱画像システムに使用すると、可視光と赤外線干渉を除去して、より良い赤外線検出結果を得ることができます。. CuF2材料は光学レンズや赤外線窓などの分野でも使用可能.

 

CaF2

CaF2は紫外線から中赤外線までの透過率が高い (250nm～7μm), そのため、プリズムの製造に広く使用されています。, 窓とレンズ, 等. 広いスペクトル範囲を持つ一部のアプリケーションでは, コーティングせずに直接使用できます. 特に, 吸収が低く、レーザー閾値が高い, エキシマレーザー光学系に非常に適しています。.

 

BaF2

BaF2結晶の光透過率範囲は広い, 0.13μm～14μmの波長範囲で光透過率が良好です。. 単結晶と多結晶の性質は基本的に同じです, 単結晶の製造が難しい材料である, したがって、単結晶の価格は多結晶の2倍です. BaF2結晶は、各種光学窓などの光学部品の製造に最適な材料です。, プリズムとレンズ. 赤外線配電キャビネットの窓に使用できます。, フーリエガス分析ウィンドウ, 石油とガスの検出, 高出力レーザー, 光学機器, 等.

 

 

サファイア

 

 

サファイアは非常に硬い素材です. 深紫外からMWIRまでの光を透過します. サファイアのユニークな特性は、高温での熱放射率が非常に低いことです。. これは、高温時にその材料が他の材料よりも熱放射を少なくすることを意味します。. サファイアは、高温に耐え、赤外線帯域の通過窓に適したキャビティ窓の製造に使用できます。.
サファイアの主な欠点は、硬度が高いため光学加工が困難であることです。. 同様の物質としてスピネルと呼ばれるものもあります。. スピネルはホットプレスされたサファイアと同様の効果があり、サファイアの代わりに使用できます。. スピネル石も分散性が高い.

 

サファイアの応用分野は主にLED基板材料です。, 家庭用電化製品および軍事用途. 省エネの発展を支える重要な素材です, 環境を守ること, 新世代の情報技術, 新エネルギー車およびその他の産業.