eo_logo
 
Product added to cart
選擇正確的紅外線(IR)正確材料
Edmund Optics Inc.

選擇正確的紅外線(IR)正確材料

紅外簡介 | 正確材料的重要性 | 選擇正確材料 | 紅外比較

紅外 (IR)簡介

紅外 (IR)波段是波長介於 0.750 -1000μm (750 - 1000000nm) 之間。由於檢測器波段範圍的限制,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 廣泛用於從熱像的 IR 信號檢測到 IR 光譜學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,製造商已開始使用 IR 材料設計平面光學元件,例如 窗鏡反射鏡偏振片分光鏡稜鏡)、球面透鏡(平凹/平凸透鏡、雙凹/雙凸透鏡、彎月透鏡等)、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(成像鏡頭、擴束鏡、目鏡、物鏡等)。 這些 IR 材料或基材的物理特性各不相同。因此,瞭解每種材料的特性可為任何 IR 應用選擇正確的材料。

Electromagnetic Spectrum
圖 1:電磁波頻譜

使用正確材料的重要性

由於紅外光的波長比可見光長,因此在通過相同的光學介質傳播時,所產生效果不同。有些材料可用於 IR 應用或可見光應用(最常見為熔融石英、BK7 和 藍寶石),但使用更適合應用的材料可以優化光學系統的性能。瞭解正確材料的重要性,還要考慮穿透率、折射率、色散與梯度折射率。如需瞭解更多有關材料規格與特性的詳細資訊,請查看光學玻璃

穿透率

定義任何材料時,最重要的特性就是穿透率。穿透率是光通量的衡量指標,由入射光的百分比指定。IR 材料在可見光波段通常是不透明的,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表現出的穿透率接近 0%。舉例而言,能穿透 IR,但不能穿透可見光(圖 2)。

Uncoated Silicon Transmission Curve
圖 2:無鍍膜矽的穿透率曲線

折射率

雖然主要根據穿透率將材料歸類為 IR 材料或可見光材料,但折射率 (nd)也是重要特性。折射率是指光在真空中的速度與光在指定介質中的速度之比。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。也可以量化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)。

Light Refraction from a Low Index to a High Index Medium
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於 1.45 - 2 之間,IR 材料的折射率大約介於 1.38 - 4 之間。大多數情況下,折射率與密度存在正相關的關係,這意味著 IR 材料較可見光材料更重;但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)實現繞射極限性能。

色散

色散用於衡量材料的折射率隨波長變化的幅度。還能用來判定色像差不同顏色的分離狀況。定量而言,色散與色散係數(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)。

(1)$$ v_d = \frac{n_d - 1}{n_f - n_c} $$

色散係數大於 55(色散較少)的材料視為冕材料,色散係數小於 50(較多色散)的材料視為燧石材料。可見光材料的色散係數大約介於 20 - 80 之間,IR 材料的色散係數大約介於 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 值通常大於可見光材料,紅外比較表)內的「重要材料性質」表中對能用於可見光的 N-BK7 與只能穿透 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,需要考慮以下三個簡單要點。由於與可見光相比,用於紅外光的材料可以實際選擇的範圍會小得多,雖然看似選擇簡單了,但這些材料通常會受限於製造和材料成本等原因而更為昂貴。

  1. 1.熱性質 – 光學材料經常放置在溫度發生變化的環境中。而人們更普遍擔心的一點是 IR 應用常常會產生大量的熱。應對材料的折射率梯度和熱膨脹係數(CTE)進行評估,以確保提供所需的性能以滿足使用者的需求。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,若在不穩定的熱環境中使用,可能會導致光學性能降級。
  2. 穿透率 – 不同的應用可在不同的 IR 光譜區域進行作業。視所用波長而定,某些 IR 基材的性能更佳(圖 4)。例如,若系統將在 MWIR 區域進行作業,則使用 材料比使用藍寶石材料更理想,後者更適用於 NIR 區域。
  3. 折射率 – IR 材料在折射率方面的變化遠大於可見光材料,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)適用於所有可見光光譜,但 IR 材料與此不同,通常僅適用於 IR 光譜內的窄小頻帶,特別是在應用於抗反射膜時效果更佳。
Infrared Substrate Comparison
圖 4:紅外基材比較(適用於 N-BK7 的波長範圍也適用於可見光波長所用的諸如 B270、N-SF11、BOROFLOAT® 等絕大部分基材)

紅外比較

雖然有許多 IR 材料,但只有一小部分可供光學元件、成像和光電行業用於製造現成可用型元件。氟化鈣熔融石英、 氟化鎂 、N-BK7、溴化鉀、 藍寶石、氯化鈉、 硒化鋅 和硫化鋅均有各自的特性,這些特性不僅能使這些材料彼此區分,還能使其適用於特定應用。以下表格提供了一些常用基材的比較。

重要 IR 材料性質
名稱 折射率(nd 色散
係數(vd
密度 
(g/cm3
CTE
(x 10-6/°C)
dn/dT
(x 10-6/°C)
努氏硬
氟化鈣(CaF2 1.434 95.1 3.18 18.85 -10.6 158.3
熔融石英(FS) 1.458 67.7 2.2 0.55 11.9 500
鍺 (Ge) 4.003 N/A 5.33 6.1 396 780
氟化鎂(MgF2 1.413 106.2 3.18 13.7 1.7 415
N-BK7 1.517 64.2 2.46 7.1 2.4 610
溴化鉀 (KBr) 1.527 33.6 2.75 43 -40.8 7
藍寶石 1.768 72.2 3.97 5.3 13.1 2200
矽(Si) 3.422 N/A 2.33 2.55 160 1150
氯化鈉(NaCl) 1.491 42.9 2.17 44 -40.8 18.2
硒化鋅(ZnSe) 2.403 N/A 5.27 7.1 61 120
硫化鋅(ZnS) 2.631 N/A 5.27 7.6 38.7 120

 

IR 材料比較
名稱 特性  / 典型應用
氟化鈣(CaF2 低吸收; 高折射率均勻度
用於光譜學、半導體處理和冷卻熱成像
熔融石英(FS) CTE 低,在 IR 中具有出眾的穿透率
用於干涉測量、雷射儀器、光譜學
鍺 (Ge) 高折射率、高努氏硬度、中波到長波紅外波段的穿透率出眾
用於熱像、惡劣環境的IR成像
氟化鎂(MgF2 寬泛的穿透範圍、耐高能輻射
用於無需抗反射膜的窗鏡、透鏡和偏振片
N-BK7 低成本材料,適用於可見光和 NIR 應用
用於機器視覺、顯微鏡、工業應用
溴化鉀 (KBr) 抗機械震動、水溶性、寬泛的穿透範圍
用於 FTIR 光譜學
藍寶石 非常耐用,在 IR 中具有良好的穿透率
用於 IR 雷射系統、光譜學和惡劣環境設備
矽(Si) 低成本、質量輕
用於光譜學、MWIR 雷射系統、THz 成像
氯化鈉(NaCl) 水溶性,成本低,在 250nm 至 16μm 的範圍內具有出眾的穿透率,對熱衝擊很敏感
用於 FTIR 光譜學
硒化鋅(ZnSe) 低吸收、抗熱衝擊
CO2 雷射系統和熱成像
硫化鋅(ZnS) 在可見光與 IR 範圍具有出眾的穿透率,與 ZnSe 相比更堅硬且具有更強的化學抵抗力
用於熱像
這項內容對您是否實用?

相關產品

 

 
Sales & Expert Advice
 
or view regional numbers
Easy-to-Use
QUOTE TOOL
enter stock numbers to begin