什么是熱紅外材料成像？紅外材料都有哪些？

熱紅外成像通常是指3~5um的中紅外（MWIR）成像和8~10um的遠(yuǎn)紅外（LWIR）成像。在這些波段中，關(guān)注的是熱源，而不是可見光。熱紅外成像有許多不同應(yīng)用，如非破壞性測(cè)試、紅外照相機(jī)可以拍攝設(shè)備的過熱點(diǎn)或者建筑物熱量流失位置、在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域可測(cè)局部體表溫度的差異、在快速查找核電廠冷卻系統(tǒng)的熱泄露點(diǎn)，以及安全防護(hù)等。

可見光系統(tǒng)有許多玻璃類型可以使用，但只有極其有限的材料可以有效地用于MWIR和LWIR波段。圖18.107給出了比較常用的紅外透射材料的透過率圖。這些數(shù)據(jù)包括表面的反射損失，因此，在應(yīng)用高效增透膜后會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)高的透射比。只有極其有限的玻璃材料類型可有效地用于MWIR和LWIR波段。表18.9中列出了比較常用的常用熱紅外光學(xué)材料及它們的主要特性。阿貝常數(shù)V的定義為 (n1λ-1)/(n1λ-nHλ)，式中， nCλ 為中心波長的折射率，n1λ為短波長折射率，nHλ為長波長折射率。

常用熱紅外材料有以下幾種：

（1）鍺材料：

鍺是最普通的紅外材料，可用于LWIR波段和MWIR波段。在LWIR波段，它是消色差雙透鏡中的“冕牌”或正透鏡；在MWIR中，它是消色差雙透鏡中的“火石”或負(fù)透鏡。這是源于其在兩個(gè)波段中色散特性的差異。在MWIR波段，鍺很接近它的低吸收波段，因此它的折射率變化很快，進(jìn)而導(dǎo)致較大的色散。這使它適宜作為消色差雙透鏡中的負(fù)光焦度元件。

鍺材料有兩個(gè)很重要的參數(shù)：折射率和dn/dt 。鍺的折射率略大于4.0，這意味著淺曲面是合理的，易于降低相差，對(duì)設(shè)計(jì)是有利的。參數(shù)dn/dt是折射率歲溫度的變化。鍺的dn/dt是0.000369C。這是一個(gè)很大的值，普通玻璃的 dn/dt=0.000360C。這會(huì)引起隨溫度變化的大的焦移，通常需要某種無熱化技術(shù)（焦點(diǎn)相對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償）。

鍺是一種晶體材料，以單晶或多晶方式生成。根據(jù)生長過程，單晶鍺比多晶鍺更昂貴。多晶鍺的折射率不夠均勻，主要是由顆粒邊界的雜質(zhì)造成的，這些雜質(zhì)會(huì)影響成像到FPA的像質(zhì)。因此，單晶鍺稱為首選。在高溫下，鍺材料變得有吸收性，200C時(shí)透射比接近零。

單晶鍺的折射率不均勻系數(shù)為0.00005~0.0001，而多晶鍺為0.0001~0.00015。對(duì)于光學(xué)用途，通常以?.cm為單位指定鍺的電阻系數(shù)，整個(gè)毛坯的電阻系數(shù)為5~40 ?.cm 一般是可以接受的。圖18.109顯示了典型的鍺毛坯，右側(cè)有一塊多晶區(qū)域。請(qǐng)注意，單晶區(qū)域內(nèi)電阻系數(shù)表現(xiàn)正常而且沿徑向緩慢變化，而多晶區(qū)的電阻系數(shù)則變化迅速。如果用一個(gè)合適的紅外照相機(jī)來觀察材料，會(huì)看到奇異的類似于蜘蛛網(wǎng)的回旋狀圖像，這種現(xiàn)象主要集中在顆粒邊界。這源于邊界處受到的誘導(dǎo)的雜質(zhì)。硅和一些其他晶體材料的不足之一是脆而易碎。

（2）硅材料

硅是與鍺很類似的晶體材料。它主要被用于3~5um的MWIR波段，其在8~12um的LWIR波段存在吸收。硅的折射率比鍺略低，但它仍然足夠大，有利于像差的控制。另外，硅的色散也相對(duì)較低。硅可以被金剛石車削。

（3）硫化鋅

硫化鋅是常用于MWIR和LWIR波段的材料。它一般呈現(xiàn)銹黃色，對(duì)可見光半透明。生產(chǎn)硫化鋅的最普通過程被稱為化學(xué)汽相沉淀。

用熱壓制成的硫化鋅能夠?qū)梢姽馔该?。透明硫化鋅可用于制造從可見光到LWIR波段的多光譜窗口和透鏡。

（4）硒化鋅

硒化鋅在很多方面與硫化鋅類似。它的折射率比硫化鋅略高，而結(jié)構(gòu)不如硫化鋅牢固。因此，考慮到環(huán)境耐久性原因，有時(shí)將一薄層硫化鋅沉淀到厚的硒化鋅基底上。與硫化鋅相比，硒化鋅的最顯著優(yōu)點(diǎn)是它的吸收系數(shù)極小，所以硒化鋅通常被用于高能CO2能夠系統(tǒng)中。

（5）氟化鎂

氟化鎂也是一種晶體材料。它的晶體材料可以透射從紫外到MWIR的光譜段。氟化鎂可用晶體生長或“熱壓”的方法制造，結(jié)果生成乳狀玻璃態(tài)材料。它在MWIR波段透射的情況良好，但可能會(huì)有不希望的散射，造成對(duì)比度的下降和離軸的雜散光。微粒散射反比于波長的四次方，因此可見光下的乳狀外觀在5um處會(huì)縮小1/16。

（6）藍(lán)寶石

藍(lán)寶石是一種極其堅(jiān)硬的材料。它可透射從深UV到MWIR波段的光。藍(lán)寶石的一個(gè)獨(dú)特特性是高溫下很低的熱發(fā)射率。這意味著高溫下材料會(huì)發(fā)射比其他材料少的熱輻射?？蓪⑺{(lán)寶石用于制作經(jīng)受高溫的腔體窗口，適于紅外波段通過窗口。藍(lán)寶石的主要缺點(diǎn)在于其硬度使光學(xué)加工困難。另一種與之類似的材料稱為尖晶石。尖晶石在效果上類似于熱壓藍(lán)寶石，可以替代藍(lán)寶石使用。尖晶石頭還具有很高的色散。藍(lán)寶石具有雙折射特性，它的折射率是入射極化面的函數(shù)。

（7）三硫化砷

三硫化砷是一種可用于MWIR和LWIR波段的材料。它呈現(xiàn)深紅色外觀，十分昂貴。

（8）其他可用材料

還有許多其他可用材料，包括氟化鈣、氟化鋇、氟化鈉、氟化鋰和溴化鉀等。這些材料可用于從深紫外到中波紅外波段。它們的色彩特性使它們對(duì)寬譜段應(yīng)用極具吸引力，尤其是從近紅外中紅外甚至到遠(yuǎn)紅外的應(yīng)用。這些材料中有許多具有某些不希望的特性，尤其是吸濕性。需要適當(dāng)鍍膜以避免濕氣的破壞，它們的結(jié)構(gòu)經(jīng)常需要用干燥氮?dú)鈨艋?/p>