利用可能な熱赤外線材料は何ですか？

November 04, 2023

熱赤外線材料イメージングとは、通常、3〜5μmでの中赤外線（MWIR）イメージングと、8〜10μmでのFAR赤外線（LWIR）イメージングを指します。これらのバンドでは、目に見える光ではなく熱源に焦点が当てられています。非破壊検査、機器の過熱または熱損失の構築の位置をキャプチャできる赤外線カメラ、医療分野で測定できる局所的な体表面温度の違い、迅速な識別、迅速な識別など、熱赤外線イメージングのさまざまな用途があります。原子力発電所の冷却システムの熱漏れポイント、および安全保護。

目に見える光システムに利用できるガラスには多くの種類がありますが、MWIRおよびLWIRバンドで効果的に使用できる材料の数は非常に限られています。図18.107は、一般的に使用される赤外線透過材料の透過率を示しています。これらのデータには、表面上の反射損失が含まれるため、効率的な抗力排出フィルムの適用後に比較的高い透過率が得られます。 MWIRおよびLWIRバンドでは、非常に限られた種類のガラス材料のみを効果的に使用できます。表18.9に、一般的に使用される熱赤外光材料とその主な特性を示します。 ABBE定数Vは（n1λ-1） /（n1λ-nhλ）として定義されます。方程式では、中心波長のncλ屈折率、n1λは短波長屈折率、nhλは屈折率です長波長の。

一般的に使用される熱赤外材がいくつかあります。

ゲルマニウムは最も一般的な赤外線材料であり、LWIRおよびMWIRバンドで使用できます。 LWIRバンドでは、Achromaticデュアルレンズの「クラウンプレート」または正のレンズです。 MWIRでは、それはAchromatic Doubleレンズの「フリント」または負のレンズです。これは、2つのバンド間の分散特性の違いによるものです。 MWIRバンドでは、ゲルマニウムは低吸収帯に非常に近いため、屈折率は迅速に変化し、著しい分散につながります。これにより、アクロマティックダブルレンズの負の電力成分として適しています。

（1）ゲルマニウム資料：

ゲルマニウムは最も一般的な赤外線材料であり、LWIRおよびMWIRバンドで使用できます。 LWIRバンドでは、Achromaticデュアルレンズの「クラウンプレート」または正のレンズです。 MWIRでは、それはAchromatic Doubleレンズの「フリント」または負のレンズです。これは、2つのバンド間の分散特性の違いによるものです。 MWIRバンドでは、ゲルマニウムは低吸収帯に非常に近いため、屈折率は迅速に変化し、著しい分散につながります。これにより、アクロマティックダブルレンズの負の電力成分として適しています。

ゲルマニウム材料には、屈折率とDN/DTの2つの重要なパラメーターがあります。ゲルマニウムの屈折指数は4.0をわずかに大きくします。つまり、浅い表面は合理的で、位相の違いを簡単に減らすことができます。これは設計に有益です。パラメーターDN/DTは、屈折率と温度の変化です。ゲルマニウムのdn/dtは0.000369cです。これは、通常のガラスの場合、DN/DT = 0.000360Cの大きな値です。これは、温度によって異なる大きな焦点シフトを引き起こす可能性があり、通常は何らかの非加熱技術（温度に対する焦点の補償）が必要です。

ゲルマニウムは、単一または多結晶の形で生成される結晶材料です。成長プロセスによれば、単結晶ゲルマニウムは多結晶ゲルマニウムよりも高価です。多結晶ゲルマニウムの屈折率は十分に均一ではなく、主に粒子境界の不純物によって引き起こされ、FPAイメージングの画質に影響を与える可能性があります。したがって、単結晶ゲルマニウムが好ましい材料です。高温では、ゲルマニウム材料が吸収性になり、透過率は200cでゼロに近づきます。

単結晶ゲルマニウムの屈折率の不均一性係数は0.00005〜0.0001ですが、多結晶ゲルマニウムの屈折率は0.0001〜0.00015です。光学目的のために、通常はώ。ゲルマニウムの抵抗係数はcmで指定されており、ブランク全体の抵抗係数は5-40℃です。 CMは一般的に受け入れられます。図18.109は、右側に多結晶領域がある典型的なゲルマニウム空白を示しています。単結晶領域の抵抗係数は正常に動作し、徐々にゆっくりと変化しますが、多結晶領域の抵抗係数は急速に変化します。適切な赤外線カメラを使用して材料を観察する場合、主に粒子の境界に集中しているクモ網に似た奇妙な渦巻く画像を見ることができます。これは、境界で不純物が誘発されたためです。シリコンと他のいくつかの結晶材料の欠点の1つは、その脆性と脆弱性です。

Ba1aa10e86d2a03584f1764f4ce87b4 Jpg

（2）シリコン材料
シリコンは、ゲルマニウムに似た結晶材料です。これは主に3-5μmのMWIRバンドで使用されており、8〜12μmのLWIRバンドに吸収があります。シリコンの屈折率はゲルマニウムの屈折率よりもわずかに低いですが、依然として異常制御を促進するのに十分な大きさです。さらに、シリコンの分散は比較的低いです。シリコンはダイヤモンドで回すことができます。
（3）硫化亜鉛
硫化亜鉛は、MWIRおよびLWIRバンドで一般的に使用される材料です。それは一般に錆びた黄色で、目に見える光に透明に見えます。硫化亜鉛を生産するための最も一般的なプロセスは、化学蒸気沈殿と呼ばれます。
ホットプレスによって作られた硫化亜鉛は、可視光に透明になる可能性があります。透明な硫化亜鉛を使用して、可視光からLWIRバンドまでのマルチスペクトル窓とレンズを製造できます。
（4）セレニド亜鉛
セレニド亜鉛は、多くの面で硫化亜鉛に似ています。その屈折率は硫化亜鉛よりわずかに高く、その構造は硫化亜鉛ほど頑丈ではありません。したがって、環境の耐久性の理由を考慮すると、硫化亜鉛の薄い層が厚いセレニド基質に堆積することがあります。硫化亜鉛と比較して、セレン化亜鉛の最も重要な利点は非常に小さな吸収係数であるため、通常、高エネルギーCO2エネルギーシステムでセレン化亜鉛が使用されます。

（5）フッ化マグネシウム
フッ化マグネシウムも結晶材料です。その結晶材料は、紫外線からMWIRにスペクトル範囲を伝達できます。フッ化マグネシウムは、結晶の成長または「ホットプレス」方法によって生成される可能性があり、その結果、乳白色のガラス材料が形成されます。 MWIRバンドには良好なトランスミッションがありますが、散乱が望ましくない場合があり、コントラストと軸の迷走光が減少します。粒子の散乱は、波長の4番目の力に反比例しているため、可視光の下の乳白色の外観は、5umで1/16に収縮します。
C501545f8816da6744a0fe5efc53bb5 Jpg （6）サファイア

サファイアは非常に難しい素材です。深いUVからMWIRバンドに光を送信できます。サファイアのユニークな特徴は、高温での熱放射率が低いことです。これは、材料が高温で他の材料よりも熱放射が少ないことを意味します。サファイアは、高温に耐えるキャビティウィンドウを作成するために、窓から赤外線バンドに適しています。サファイアの主な欠点は、その硬度が光学処理を困難にすることです。別の同様の材料はスピネルと呼ばれます。スピネルは、ホットプレスされたサファイアと有効に類似しており、サファイアの代替品として使用できます。スピネルの石にも高い分散があります。サファイアには複屈折特性があり、その屈折率は入射偏光表面の関数です。

（7）ヒ素トリスルフィド

ヒ素トリスルフィドは、MWIRおよびLWIRバンドで使用できる材料です。深い赤い外観があり、非常に高価です。

（8）その他の利用可能な資料

フッ化物カルシウム、フッ化物バリウム、フッ化物ナトリウム、フッ化リトウム、臭化カリウムなど、他にも多くの材料があります。これらの材料は、深い紫外線から中波の赤外線までのバンドで使用できます。それらの色の特性により、特に近赤外から赤外線、さらにははるかに赤外線まで、幅広いスペクトルアプリケーションにとって非常に魅力的です。これらの材料の多くには、特に吸湿性がいくつかあります。水分による損傷を避けるために適切なコーティングが必要であり、それらの構造はしばしば乾燥窒素ガスで精製する必要があります。