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適用于紅外 (IR) 應用的正確材料

紅外 (IR) 簡介

紅外 (IR) 照射的特征是波長介于 0.750 -1000μm (750 - 1000000nm) 之間。由于對檢測器范圍的限制，IR照射通常分為以下三個較小的區域：0.750 - 3μm、3 - 30μm 和 30 - 1000μm 分別定義為近紅外 (NIR)、中波紅外 (MWIR) 與遠紅外 (FIR)（圖 1）. 紅外產品 廣泛用于從熱成像中的 IR 信號檢測到 IR 光譜學中的元素識別等多種應用。隨著 IR 應用需求的發展和技術進步，制造商已開始使用 IR 材料設計平面光學元件（例如 (i.e. 窗口片, 反射鏡, 偏振片, 分光鏡, 棱鏡), 球面透鏡 (例如平凹/平凸透鏡、雙凹/雙凸透鏡、彎月透鏡), 非球面透鏡 (拋物面、雙曲面、混合透鏡), 消色差透鏡, 以及 裝配組件 (例如成像鏡頭、擴束器、目鏡、物鏡). 這些 IR 材料或基底的物理特性各不相同。因此，了解每種材料的優點可為任何 IR 應用選擇正確的材料.

圖 1: 電磁波譜

使用正確材料的重要性

由于構成紅外光的波長長于可見光，因此在通過相同的光學介質傳播時，這兩個區域的行為不同。有些材料可用于 IR 應用或可見光應用（引人注目的是熔融石英, BK7 和 藍寶石; 但是，使用更適合所執行任務的材料可以優化光學系統的性能。如需了解這一概念，請考慮透射率、折射率、色散與梯度折射率。如需了解更多有關規格與性質的詳細信息，請查看光學玻璃.

透射率

定義任何材料時，重要的屬性就是透射率。透射率是光通量的衡量指標，由入射光的百分比。IR 材料在可見光區域通常是不透明的，而可見光材料在 IR 通常也是不透明的；換言之，這些材料在這些波長區域展示出的透射率接近 0%。舉例而言，請考慮 硅, 它能透射 IR，但不能透射可見光（圖 2）.

圖 2: 無鍍膜硅的透射率曲線

折射率

雖然主要根據透射率將材料歸類為 IR 材料或可見光材料，但是折射率 (nd) 也是重要屬性。折射率是指光在真空中的速度與光在介質中的速度之比。使用折射率可以量化光線從低折射率介質進入高折射率介質時“減緩速度”的效果。它也可以指出以傾斜方向射向表面時折射的光線量，nd 越高，折射的光線越多（圖 3）.

圖 3:從低折射率介質到高折射率介質的光線折射

可見光材料的折射率大約介于 1.45 - 2 之間，IR 材料的折射率大約介于 1.38 - 4 之間。在許多情況下，折射率與密度存在正相關關系，這意味著 IR 材料較可見光材料更重；但是，更高的折射率也意味著可以使用更少的透鏡元件（從而降低整體系統重量與成本）實現衍射極限性能.

色散

色散用于衡量材料的折射率隨波長變化的幅度有多大。它還能確定對產生色像差的波長進行的分離。定量而言，色散與色散系數 (vd) 成反比，是材料在 f (486.1nm)、d (587.6nm) 和 c (656.3nm) 波長時折射率的函數（等式 1）.

色散系數大于 55（色散較少）的材料視為冕材料，色散系數小于 50（較多色散）的材料視為火石材料。可見光材料的色散系數大約介于 20 - 80 之間，IR 材料的色散系數大約介于 20 - 1000 之間.

折射率梯度

介質的折射率會隨著溫度的變化而不同。系統在不穩定的環境中工作時，此折射率梯度 (dn/dT) 可能會產生問題，尤其是在系統針對單一 n 值進行設計的情況下，更是如此。遺憾的是，IR 材料的 dn/dT 值通常大于可見光材料, 紅外比較表)內的“重要材料屬性”表中對能用于可見光的 N-BK7 與只能透射 IR 的（鍺材料進行了比較.

如何選擇正確的材料

選擇正確的 IR 材料時，有三個簡單的要點需要考慮。雖然選擇流程更簡單，因為與可見光相比，對用于紅外光的材料進行實際選擇的范圍會小得多，但是這些材料通常會基于制造和材料成本等原因而更為昂貴.

01.熱性質 – 光學材料經常放置在溫度發生變化的環境中。此外，人們普遍擔心的一點是 IR 應用常常會產生大量的熱。應該對材料的折射率梯度和熱膨脹系數 (CTE) 進行評估，以確保提供所需的性能來滿足用戶。CTE 是材料在溫度變化時發生膨脹或收縮的比率。例如，鍺材料的折射率梯度非常高，如果在熱不穩定的環境中使用，可能會導致光學性能降級.

02.透射率 – 不同的應用可在不同的 IR 光譜區域中進行作業。視所用的波長而定，某些 IR 基底的性能更好（圖 4）。例如，如果系統將在 MWIR 區域進行作業，則使用鍺 材料比使用藍寶石更理想，后者更加適用于 NIR 區域.

03.折射率 – IR 材料在折射率方面的變化遠大于可見光材料，因此在系統設計方面更有彈性，可進行更多變化。可見光材料（例如 N-BK7）適用于整個可見光光譜，但 IR 材料與此不同，通常僅適用于 IR 光譜內的窄小頻帶，尤其是在應用增透膜時，更是如此.至少1米的安全距離,疫情之下優良的出行方式是，開車，騎車，走著。

圖 4: 紅外基底比較（適用于 N-BK7 的波長范圍也適用于可見光波長所用的諸如 B270、N-SF11、BOROFLOAT® 等絕大部分基底)

紅外比較

雖然存在很多 IR 材料，但是其中只有一小部分主要供光學元件、成像和光電行業用于制造現成可用型元件。氟化鈣, 熔融石英, 鍺材料, 氟化鎂, N-BK7, 溴化鉀, 藍寶石, 硅, 氯化鈉, 硒化鋅 和硫化鋅都有自己*的屬性，這些屬性不僅能使這些材料彼此區分，還能使其適用于特定應用。以下表格提供了一些常用基底的比較.