紅外熱像儀應用中的紅外窗口
紅外觀察窗是熱成像系統的關鍵部件，在將紅外輻射從物體傳輸到探測器而不損害系統完整性方面發揮著重要作用。在惡劣的環境中，高溫、高壓和污染物可能會損壞光學系統，這些窗口尤其重要。
本文探討了用于紅外窗口的各種特殊光學材料，包括其獨特性能和局限性。本文還介紹了應用于這些窗口的不同類型的涂層、它們對性能的影響以及選擇合適的紅外窗口材料和涂層時需要考慮的因素。這些窗口在熱成像系統中發揮著至關重要的作用，可以在惡劣環境下實現高質量的圖像捕獲。
紅外窗口
紅外窗口光譜范圍一般有：短波紅外SWIR（0.7-1.7μm和2.0-2.5μm）、中波紅外MWIR（3-5 μm）和長波紅外LWIR（8-14 μm）。由于其傳輸特性不同，因此它們使用的材料也不同。
特殊光學材料
紅外窗口通常使用特殊光學材料，因為它們具有獨特的性質，非常適合某些應用。這些材料包括：
1. 鍺（Germanium, Ge）
· 波長范圍：2–14 μm（覆蓋MWIR和LWIR）
· 優點：
o 高透過率（>40% @8–14 μm，需鍍增透膜）。
o 硬度高（莫氏硬度6），耐磨損。
o 廣泛用于LWIR熱像儀（如安防、消防設備）。
· 缺點：
o 折射率高（~4.0），需鍍增透膜（如金剛石膜）以減少反射損失。
o 脆性大，抗沖擊性差。
o 高溫下（>100℃）性能下降，需控溫設計。
o 成本高（依賴高純度單晶鍺）。
典型應用：民用熱像儀、車載夜視系統。
2. 硫化鋅（Zinc Sulfide, ZnS）
· 波長范圍：0.4–12 μm（多光譜型）或8–12 μm（標準型）
· 優點：
o 寬波段透射（多光譜型覆蓋可見光到LWIR）。
o 抗熱震性較好，耐沙塵侵蝕。
o 適用于惡劣環境（如軍事裝備）。
· 缺點：
o 硬度較低（莫氏硬度3），易劃傷，需鍍保護膜。
o 長波區域（>12 μm）透過率下降。
o 成本高于鍺（多光譜型尤其昂貴）。
典型應用：導彈導引頭、機載紅外窗口。
3. 硒化鋅（Zinc Selenide, ZnSe）
· 波長范圍：0.5–20 μm（最佳在2–14 μm）
· 優點：
o 超寬波段高透過率（>70% @8–12 μm，無需鍍膜）。
o 耐高溫（可達250℃），適合高溫環境。
· 缺點：
o 硬度極低（莫氏硬度2.5），極易劃傷，需鍍保護層（如類金剛石膜）。
o 對濕度敏感，長期暴露易氧化。
o 成本極高（加工難度大，材料稀缺）。
典型應用：高精度熱成像系統、激光光學元件。
4. 氟化鈣（Calcium Fluoride, CaF?）
· 波長范圍：0.2–8 μm（最佳在3–5 μm MWIR）
· 優點：
o 低折射率（~1.4），反射損失小，無需鍍膜。
o 耐化學腐蝕，抗輻射性能好。
· 缺點：
o 機械強度差（易碎裂），僅適用于輕負載場景。
o 在LWIR波段（>8 μm）透過率驟降。
o 易潮解（需密封保護）。
典型應用：中波紅外光譜儀、低溫環境傳感器。
5. 硅（Silicon, Si）
· 波長范圍：1.2–7 μm（最佳在3–5 μm MWIR）
· 優點：
o 成本低，易加工（可制成大尺寸窗口）。
o 高硬度（莫氏硬度7），耐磨損。
· 缺點：
o LWIR波段（>7 μm）不透明，僅限MWIR使用。
o 需鍍增透膜（如SiO?）以提升透過率。
典型應用：工業測溫、短波紅外激光系統。
6. 藍寶石（Sapphire, Al?O?）
· 波長范圍：0.15–5.5 μm（最佳在3–5 μm MWIR）
· 優點：
o 超高硬度（莫氏硬度9），耐沖擊、抗刮擦。
o 耐高溫（熔點2050℃），適合極端環境。
· 缺點：
o LWIR波段（>5.5 μm）完全不透明。
o 折射率高（~1.7），需鍍增透膜。
o 成本高（大尺寸加工困難）。
典型應用：航空發動機熱監測、高壓高溫傳感器。
7. 氟化鎂（Magnesium Fluoride, MgF?）
· 波長范圍：0.2–7 μm（紫外到MWIR）
· 優點：
o 抗紫外線老化，耐潮濕。
o 低折射率（~1.38），反射損失小。
· 缺點：
o LWIR波段透過率低，僅限MWIR使用。
o 機械強度一般（莫氏硬度5）。
典型應用：多光譜傳感器、紫外-紅外復合系統。
涂層
紅外窗口上通常會涂上涂層以提高其性能。最常見的四種涂層是抗反射 (AR) 涂層、保護涂層、DLC 涂層和波長特定涂層（又稱帶通涂層）。
1. 抗反射 (AR) 涂層：抗反射涂層用于最大程度地減少反射并增加紅外輻射通過窗戶的透射率。這些涂層通常由多層具有不同折射率的介電材料制成。
2. 保護涂層：保護涂層用于保護紅外窗口免受劃痕、磨損和其他形式的損壞。這些涂層通常由硬質材料制成，例如類金剛石碳 (DLC) 或碳化硅 (SiC)。
3. 類金剛石碳 (DLC) 涂層： DLC 涂層極其堅硬耐用，非常適合在惡劣環境下使用。它們還可以減少反射損失并提高 LWIR 范圍內的傳輸率。
4. 波長區域特定涂層：這種涂層通常根據窗戶的預期應用而應用。例如，鍺窗戶可能有寬帶涂層，允許 3 μm 至 14 μm 的波長通過。為 LWIR（長波紅外）應用制造的窗戶可能采用有利于 8 μm 至 14 μm 的涂層。
對性能的影響
紅外窗口的材料和涂層的選擇會對其性能產生影響。選擇材料和涂層時應考慮以下因素：
1. 透射率：紅外輻射通過窗戶的透射率是最重要的考慮因素。材料和涂層應在所需光譜范圍內具有高透射率。
2. 耐用性：材料和涂層應足夠耐用，以承受其使用環境的惡劣條件。它們應該能夠抵抗劃痕、磨損、熱沖擊和其他形式的損壞。
3. 圖像質量：材料和涂層不應導致圖像失真或降低圖像的清晰度。
4. 成本：應考慮材料和涂層的成本，因為某些特殊材料和涂層可能很昂貴。
結論
紅外窗口是熱成像系統的重要組成部分，可以在惡劣環境下傳輸高質量圖像。考慮到傳輸、耐用性、圖像質量和成本等因素，這些窗口的材料和涂層的選擇對其性能起著至關重要的作用。
最終，選擇合適的紅外窗口材料和涂層對于確保最佳性能和最大限度延長系統使用壽命至關重要。隨著技術和材料的不斷進步，紅外窗口的使用很可能將繼續在軍事和航空航天、醫療和工業等各種應用的熱成像系統發展中發揮重要作用。
FLIR紅外熱像儀產品展示：
FLIR A50/A70系列自動化集成用小型紅外熱像儀
選配Wi-Fi、集成式可見光視場，兼容GigE Vision和GenICam等多種通信標準。紅外分辨率464×348 (A50)，640×480 (A70)，可見光分辨率1280×960，幀頻30Hz，測溫標定-20℃~1000℃，選配29°、51°和95°鏡頭
FLIR A400/A500/A700系列自動化集成用紅外熱像儀
紅外分辨率320×240 (A400) 、464×348 (A500) 、640×480 (A700)，幀頻30Hz，測溫標定-40℃~2000℃，電動和手動調焦，支持紅外可見光雙視場融合MSX，支持Wi-Fi傳輸壓縮輻射測量圖像流，選配多種長焦、廣角和顯微鏡頭，符合 GigE Vision 和 GenICam 標準，支持 GigE 和 RTSP 視頻
FLIR A655sc科研級高分辨率高速長波紅外熱像儀
探測器分辨率640×480，像素間距17μm，波長范圍7.5-14μm，NETD＜30mk，時間常數＜8ms，幀頻到200Hz，測溫標定-40℃~2000℃，電動和手動調焦，選配多種長焦、廣角和顯微鏡頭，兼容GIGE VISION?標準
FLIR X8580科學級高清中波紅外熱像儀
FLIR 銻化銦（InSb）探測器，紅外分辨率1280×1024，像元間距12μm，波長1.5-5μm，全窗口幀頻181Hz，NETD＜30mk，測溫-20℃~3000℃，4位暖濾鏡輪自動切換，支持512GB SSD內部存儲，選配多種長焦、廣角和顯微鏡頭，支持GigE Vision，Camera Link，CoaXPress®1.1，雙 5 Gb 鏈路
FLIR A6301系列高級中波紅外熱像儀
27000小時制冷機壽命，快速積分時間支持硬件同步和觸發，與外部信號源之間的低延遲、確定性同步意味著在需要決策支持時可精確捕獲熱圖像。紅外分辨率640×512，像元間距15μm，波長范圍3-5μm，NETD＜15mk，選配17mm、24mm和50mm鏡頭
FLIR A6750 SLS高性能制冷長波紅外熱像儀
FLIR應變層超晶格SLS探測器，紅外分辨率640×512，像元間距15μm，波長范圍7.5-11μm，全窗口幀頻125Hz可編程，積分時間480ns至全幀，測溫標定-20℃~650℃，選配25mm、50mm和100mm等鏡頭
