โฟเนียร์: ผลิตภัณฑ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์
ภาพรวม
เลนส์อินฟราเรดหมายถึงเลนส์ที่ใช้สะท้อนแสง, หักเห, และส่งแสงอินฟราเรด. ใช้คุณสมบัติทางกายภาพที่เป็นเอกลักษณ์ในการควบคุมแสงอินฟราเรด, ดังนั้นจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งในด้านทัศนศาสตร์อินฟราเรด. เนื่องจากปัญหาการส่งผ่าน, มีวัสดุเพียงไม่กี่ชนิดเท่านั้นที่สามารถใช้ได้ในช่วงความยาวคลื่นอินฟราเรด, เช่น ศรี, จีอี, สังกะสี, สังกะสี, และ MgF2.
โดยทั่วไป, ความแข็ง Knoop ของกระจกแสงที่มองเห็นอยู่ระหว่าง 300-700. ยิ่งวัสดุมีความแข็งมากเท่าไร, ยิ่งใช้เวลาในการบดและขัดเลนส์สายตานานเท่าไร. ในบรรดาวัสดุแก้วที่นิยมใช้ในด้านการถ่ายภาพความร้อนอินฟราเรด, ความแข็งของ Ge คือ 780 , ในขณะที่ความแข็งของศรีถึงแล้ว 1150. เมื่อเทียบกับแสงที่มองเห็นได้, ความแข็งของเลนส์ออปติคอลถ่ายภาพความร้อนอินฟราเรดนั้นสูงกว่ามาก, ดังนั้นความยากของกระบวนการเจียรและเวลาทำงานจึงมีมากกว่าความยากของแสงที่มองเห็นได้มาก. แม้ว่าทั้ง Ge และ Si จะเป็นวัสดุแข็งก็ตาม, แต่ก็เปราะมากเช่นกัน. ทำให้มีแนวโน้มที่จะแตกหักในระหว่างกระบวนการผลิตและการประมวลผล, ส่งผลให้ผลผลิตลดลง. ดังนั้น, มีข้อกำหนดที่เข้มงวดเกี่ยวกับเทคนิคการประมวลผล; นอกจากนี้, ราคาต่อกรัมของวัสดุเหล่านี้ค่อนข้างสูง, ทำให้ความเสี่ยงในการประมวลผลมีนัยสำคัญ.
คุณสมบัติ
1.แข็ง
2.เปราะ
3.วัสดุมีต้นทุนสูง
การทดสอบความแข็ง Knoop เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการทดสอบวัสดุที่แข็งและเปราะ. นอกจากนี้ยังสามารถใช้เพื่อกำหนดความลึกที่มีประสิทธิภาพของชั้นที่ชุบแข็งพื้นผิวได้. ใช้สำหรับทดสอบความแข็งของชิ้นส่วนขนาดเล็ก, พื้นที่ขนาดเล็ก, วัสดุบาง, สายไฟละเอียด, ความแข็งใกล้ขอบใบมีด, ชั้นชุบ, และวัสดุทางทันตกรรม.
วัสดุทั่วไป
วัสดุจีอี
Ge เป็นวัสดุที่สำคัญอย่างยิ่งสำหรับเลนส์สายตาอินฟราเรด, แต่เนื่องจากขาดแคลนในโลกและราคาสูง, หลายบริษัทค่อยๆ นำวัสดุแสงอินฟราเรดราคาประหยัดอื่นๆ มาใช้เป็นจำนวนมาก. ด้วยการพัฒนาอุตสาหกรรมอินฟราเรด, ความต้องการวัสดุแสงอินฟราเรดกำลังขยายตัว, และการวิจัยและพัฒนาและการผลิตวัสดุนำแสงอินฟราเรดได้กลายเป็นปัจจัยสำคัญที่บริษัทเฉพาะทางหลายแห่งกังวล.
สัญลักษณ์ทางเคมีของเจอร์เมเนียม: จีอี, เป็นโลหะประเภทเมทัลลอยด์สีขาวอมเทา, มันเงา, แข็ง, อยู่ในตระกูลคาร์บอน, และมีคุณสมบัติที่ไม่ใช่โลหะอย่างเห็นได้ชัด. Ge มีคุณสมบัติทางเคมีที่เสถียรและไม่ทำปฏิกิริยากับอากาศหรือไอน้ำที่อุณหภูมิห้อง.
แก้ว Ge มีประสิทธิภาพการส่งผ่านแสงที่ดีที่ 2-16um. โดยการเคลือบสารเคลือบแสงลงบนกระจก Ge, การส่งผ่านแสงสามารถเพิ่มขึ้นได้อย่างมากในขณะที่ลดการสะท้อนแสงบนพื้นผิวของกระจก. อย่างไรก็ตาม, กระจก Ge ไม่สามารถส่งผ่านแสงในช่วงความยาวคลื่นแสงที่มองเห็นได้.
Ge มีเนื้อหาประมาณ 0.0007% ในเปลือกโลก, ทำให้เป็นหนึ่งในองค์ประกอบที่กระจัดกระจายที่สุดในเปลือกโลก. มีแร่เจอร์เมเนียมเข้มข้นน้อย. Ge จำนวนมากมีอยู่ในแร่โลหะซิลิเกตหลายชนิด, แร่ซัลไฟด์, และถ่านหินชนิดต่างๆ กระจายตัว; ทองแดงบางชนิด, เหล็ก, แร่ซัลไฟด์และแร่เงินก็มี Ge เช่นกัน; ปริมาณ Ge สามารถพบได้ในหิน, ดิน, และน้ำพุ; พืชหลายชนิดมี Ge ในปริมาณจำกัด. Ge ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในสาขาอิเล็กทรอนิกส์, เลนส์, อุตสาหกรรมเคมี, ชีวการแพทย์, พลังงาน, และอุตสาหกรรมไฮเทคอื่นๆ.
เป็นวัสดุอินฟราเรด, Ge สามารถใช้ในช่วง LWIR และ MWIR. ในช่วง LWIR, มันเป็นเลนส์บวกในเลนส์ดับเบิ้ลไม่มีสี; ขณะที่อยู่ใน MWIR, มันเป็นเลนส์เนกาทีฟในเลนส์ดับเบิ้ลไม่มีสี. นี่เป็นเพราะความแตกต่างในลักษณะการกระจายตัวของมันในช่วงความยาวคลื่นสองช่วง. ในช่วง MWIR, Ge อยู่ใกล้กับแถบการดูดกลืนแสงที่ต่ำมาก, ส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วในดัชนีการหักเหของแสงและการกระจายตัวอย่างมีนัยสำคัญ. ทำให้เหมาะสมเป็นองค์ประกอบพลังงานเชิงลบในเลนส์ดับเบิ้ลไม่มีสี.
Ge เป็นวัสดุผลึกที่สามารถผลิตได้ในรูปของผลึกเดี่ยวหรือโพลีคริสตัล. ขึ้นอยู่กับกระบวนการเจริญเติบโต, คริสตัลเดี่ยว Ge มีราคาแพงกว่าคริสตัลไลน์ Ge. ดัชนีการหักเหของโพลีคริสตัลไลน์ Ge ไม่สม่ำเสมอเพียงพอ, สาเหตุหลักมาจากสิ่งเจือปนที่ขอบเขตของเมล็ดพืช, ซึ่งอาจส่งผลต่อคุณภาพของภาพบน FPA. ดังนั้น, แนะนำให้ใช้คริสตัล Ge เดี่ยว. ที่อุณหภูมิสูง, วัสดุ Ge จะถูกดูดซับ, และอัตราส่วนการส่งผ่านเข้าใกล้ศูนย์ที่อุณหภูมิ 200°C.
Ge มีความแข็ง Knoop สูงและมักใช้ในระบบอินฟราเรดที่ต้องการความเข้มสูง. เนื่องจากมีดัชนีการหักเหของแสงสูง, การเคลือบป้องกันแสงสะท้อนมักใช้กับ Ge, โดยมีช่วงความยาวคลื่นที่ใช้กันทั่วไปคือ 3-12 ไมโครเมตรหรือ 8-12 μm. การส่งผ่านของ Ge ลดลงตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น, และพูดอย่างเคร่งครัด, อุณหภูมิการทำงานที่เหมาะสมที่สุดอยู่ต่ำกว่า 100 องศาเซลเซียส. เมื่อนำไปใช้กับระบบที่ไวต่อข้อกำหนดด้านน้ำหนัก, ผู้ออกแบบควรคำนึงถึงคุณลักษณะความหนาแน่นสูงของ Ge. อัตราส่วนของขนาดเลนส์ต่อความหนาควรเป็นไปตามสัดส่วนการประมวลผล, ในขณะที่น้ำหนักควรเป็นไปตามข้อกำหนดการออกแบบ.
ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของดัชนีการหักเหของแสง (ดีเอ็นเอ/ดีที) ใช้ในการวัดการเปลี่ยนแปลงของดัชนีการหักเหของแสงตามอุณหภูมิ. สำหรับวัสดุอินฟราเรดส่วนใหญ่, dn/dT มีขนาดสูงกว่ากระจกแสงที่มองเห็นได้หลายระดับ, ส่งผลให้ดัชนีการหักเหของแสงเปลี่ยนแปลงไปอย่างมาก. ความหนาแน่นของสารมักจะแปรผกผันกับอุณหภูมิเกือบทุกครั้ง, หมายความว่าความหนาแน่นลดลงเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น. ดังนั้น, ดัชนีการหักเหของแสงจะลดลงตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น.
dn/dT ของ Ge คือ 0.000369C, ในขณะที่ dn/dT ของกระจกธรรมดาคือ 0.000360C. สิ่งนี้สามารถทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงโฟกัสอย่างมีนัยสำคัญตามการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ, มักต้องใช้เทคนิคการทำให้เป็นความร้อนบางรูปแบบ.
มันเป็นวัสดุ
Si เป็นวัสดุผลึกที่คล้ายกับ Ge. Single-crystal Si เป็นวัสดุเฉื่อยทางเคมีที่มีความแข็งสูงและไม่สามารถละลายในน้ำได้.
มีประสิทธิภาพการส่งผ่านแสงที่ดีทั้งในช่วงความยาวคลื่น 1.2-7μm และในช่วงความยาวคลื่นอินฟราเรดไกลที่ 30-300μm, ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะที่ไม่พบในวัสดุอินฟราเรดชนิดอื่น.
โดยทั่วไปจะใช้ Si single-crystal เป็นสารตั้งต้นสำหรับหน้าต่างแสงอินฟราเรดคลื่นกลางคลื่นขนาด 3-5μm และตัวกรองแสง. เนื่องจากมีค่าการนำความร้อนที่ดีและมีความหนาแน่นต่ำ, มักใช้ในการผลิตกระจกเลเซอร์และโอกาสที่ไวต่อปริมาตรและน้ำหนัก.
ดัชนีการหักเหของ Si ต่ำกว่า Ge เล็กน้อย, แต่ก็ยังสูงพอที่จะควบคุมความคลาดเคลื่อนได้. นอกจากนี้, ศรีมีการกระจายค่อนข้างต่ำ. ศรีสามารถกลายเป็นเพชรได้.
ข้อเสียประการหนึ่งของซิลิคอนและวัสดุผลึกอื่นๆ ก็คือพวกมันเปราะและเปราะบาง.
สังกะสี
ZnS เป็นวัสดุเฉื่อยทางเคมีที่มีลักษณะมีความบริสุทธิ์สูง, ไม่ละลายในน้ำ, ความหนาแน่นปานกลาง, และการประมวลผลที่ง่ายดาย. เป็นวัสดุที่ใช้กันทั่วไปในแถบ MWIR และ LWIR.
ZnS เป็นวัสดุที่มีความสม่ำเสมอและความสม่ำเสมอของดัชนีการหักเหของแสงที่ดี, และมีประสิทธิภาพในการส่งภาพที่ดีใน 8-12 วงไมโครเมตร, แต่จะเริ่มดูดซึมบางส่วนหลังจากนั้น 10 μm. วัสดุนี้ยังมีการส่งผ่านแสงสูงในช่วงอินฟราเรดตอนกลาง, แต่การดูดซับและการกระเจิงจะเพิ่มขึ้นเมื่อความยาวคลื่นสั้นลง. เปรียบเทียบกับ ZnSe, ZnS มีความแข็งสูง, แรงแตกหักของ ZnSe สองเท่า, และทนทานต่อสภาพแวดล้อมที่รุนแรง.
โดยทั่วไป ZnS จะเป็นสีเหลืองสนิมและโปร่งแสงต่อแสงที่มองเห็นได้. ZnS ที่เกิดจากการกดร้อนสามารถโปร่งใสต่อแสงที่มองเห็นได้. ZnS แบบโปร่งใสสามารถใช้สร้างหน้าต่างและเลนส์หลายสเปกตรัมจากแถบ LWIR ที่มองเห็นได้.
ZnS เป็นวัสดุโปร่งใสอินฟราเรด. มีการส่งผ่านแสงที่เสถียรในย่านความถี่อินฟราเรด และมีคุณสมบัติทางแสงที่ดีเยี่ยม, และเป็นหนึ่งในวัสดุหลักในการทำหน้าต่างอินฟราเรด. ในกระบวนการผลิตอินฟราเรด, ZnS สามารถใช้โดยเทคนิคการสะสมฟิล์มบางเพื่อเพิ่มเอฟเฟกต์การสะท้อนอินฟราเรด. วัสดุ ZnS ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตเซ็นเซอร์อินฟราเรด, เลนส์สายตา, ตัวสร้างภาพความร้อน, แฟริ่งและส่วนประกอบแสงอินฟราเรด.
สังกะสี
ZnSe มีความคล้ายคลึงกับ ZnS หลายประการ. ดัชนีการหักเหของแสงสูงกว่า ZnS เล็กน้อย, และโครงสร้างของมันไม่แข็งแกร่งเท่า ZnS. ดังนั้น, บางครั้งชั้นบางๆ ของ ZnS จะถูกสะสมไว้บนพื้นผิว ZnSe ที่หนา ด้วยเหตุผลด้านความทนทานต่อสิ่งแวดล้อม. เปรียบเทียบกับ ZnS, ข้อได้เปรียบที่สำคัญที่สุดของ ZnSe คือค่าสัมประสิทธิ์การดูดซับที่น้อยมาก.
ZnSe เป็นวัสดุฟิล์มสะท้อนแสงอินฟราเรดที่ใช้กันทั่วไป, และช่วงความยาวคลื่นการสะท้อนคือ 2-14 μm. มีข้อดีคือมีการส่งผ่านข้อมูลสูง, ขั้นตอนการเตรียมการง่ายๆ, ทนต่อการกัดกร่อนและทนต่อการสึกหรอได้ดี. ฟิล์ม ZnSe สามารถใช้กับวัสดุเลนส์อินฟราเรดประเภทอื่นเพื่อเพิ่มเอฟเฟกต์การสะท้อนอินฟราเรด. เลนส์ ZnSe ใช้ในเซ็นเซอร์อินฟราเรด, ตัวสร้างภาพความร้อน, และระบบควบคุมอินฟราเรดต่างๆ.
เนื่องจาก ZnSe มีค่าสัมประสิทธิ์การดูดซับต่ำและค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนสูง, มักใช้เป็นวัสดุฐานของตัวสะท้อนแสงและตัวแยกลำแสง. อย่างไรก็ตาม, เนื่องจาก ZnSe ค่อนข้างอ่อน (ความแข็งของ Knoop 120) และง่ายต่อการขีดข่วน, ไม่แนะนำให้ใช้ในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง. ให้ความสนใจกับแรงที่สม่ำเสมอเมื่อถือและทำความสะอาด, และทางที่ดีควรสวมเปลนิ้วหรือถุงมือ.
ฟลูออไรด์
MgF2
MgF2 ก็เป็นวัสดุที่เป็นผลึกเช่นกัน. วัสดุที่เป็นผลึกจะส่งคลื่นความถี่จากรังสียูวีไปยัง MWIR. MgF2 สามารถผลิตได้จากการเจริญเติบโตของผลึกหรือ “การกดร้อน”, ทำให้เกิดเนื้อแก้วสีน้ำนม. ส่งสัญญาณได้ดีในย่าน MWIR, แต่อาจมีการกระจัดกระจายที่ไม่ต้องการ, ทำให้สูญเสียความเปรียบต่างและแสงเล็ดลอดนอกแกน.
CuF2
CuF2 เป็นวัสดุดูดซับอินฟราเรดทั่วไป. สามารถดูดซับแถบอินฟราเรดได้ 2-14μm, และสามารถลดการส่งผ่านในย่านสเปกตรัมที่มองเห็นได้ในเวลาเดียวกัน. ดังนั้น, ฟิลเตอร์อินฟราเรดที่ทำจาก CuF2 สามารถใช้ในระบบป้องกันแสงสะท้อนและระบบถ่ายภาพความร้อนเพื่อกรองแสงที่มองเห็นและการรบกวนอินฟราเรดเพื่อให้ได้ผลลัพธ์การตรวจจับอินฟราเรดที่ดีขึ้น. วัสดุ CuF2 ยังสามารถนำมาใช้ในเลนส์สายตาและหน้าต่างอินฟราเรดและสาขาอื่นๆ.
CaF2
CaF2 มีการส่งผ่านสูงระหว่างอัลตราไวโอเลตและอินฟราเรดตอนกลาง (250นาโนเมตร~7μm), ดังนั้นจึงมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตปริซึม, หน้าต่างและเลนส์, ฯลฯ. ในการใช้งานบางประเภทที่มีช่วงสเปกตรัมกว้าง, สามารถใช้งานได้โดยตรงโดยไม่ต้องเคลือบ. โดยเฉพาะ, มีการดูดซับต่ำและมีเกณฑ์เลเซอร์สูง, ซึ่งเหมาะมากสำหรับระบบออพติคอลเลเซอร์เอ๊กไซเมอร์.
บาเอฟ2
ช่วงการส่งผ่านแสงของคริสตัล BaF2 นั้นกว้าง, และการส่งผ่านแสงดีในช่วงความยาวคลื่น0.13μm~14μm. โดยพื้นฐานแล้วคุณสมบัติของผลึกเดี่ยวและโพลีคริสตัลไลน์นั้นเหมือนกัน, และวัสดุนี้ผลิตผลึกเดี่ยวได้ยาก, ดังนั้นราคาของคริสตัลเดี่ยวจึงเป็นสองเท่าของราคาของคริสตัลไลน์. คริสตัล BaF2 เป็นวัสดุที่เหมาะสำหรับการผลิตส่วนประกอบด้านแสง เช่น หน้าต่างแสงต่างๆ, ปริซึมและเลนส์. สามารถใช้ในหน้าต่างตู้จ่ายไฟอินฟราเรด, หน้าต่างการวิเคราะห์ก๊าซฟูเรียร์, การตรวจจับน้ำมันและก๊าซ, เลเซอร์กำลังสูง, เครื่องมือทางแสง, ฯลฯ.
ไพลิน
องค์ประกอบของแซฟไฟร์คืออะลูมิเนียมออกไซด์, ซึ่งเป็นสีน้ำเงินเนื่องจากธาตุไทเทเนียม (Ti4+) หรือเหล็ก (เฟ2+). ในความเป็นจริง, คอรันดัมเกรดอัญมณีในธรรมชาติเรียกว่าแซฟไฟร์ ยกเว้นสีแดงที่เรียกว่าทับทิม, และสีอื่นๆ เช่น สีฟ้า, สีฟ้าอ่อน, สีเขียว, สีเหลือง, สีเทา, ไม่มีสี, ฯลฯ.
แซฟไฟร์เป็นวัสดุที่มีความแข็งมาก. โดยจะส่งแสงจากรังสียูวีระดับลึกไปยัง MWIR. คุณสมบัติเฉพาะของแซฟไฟร์คือมีการแผ่รังสีความร้อนต่ำมากที่อุณหภูมิสูง. ซึ่งหมายความว่าที่อุณหภูมิสูงวัสดุจะปล่อยรังสีความร้อนน้อยกว่าวัสดุอื่น. แซฟไฟร์สามารถใช้ทำหน้าต่างโพรงที่ทนทานต่ออุณหภูมิสูงและเหมาะสำหรับการส่องผ่านหน้าต่างในย่านความถี่อินฟราเรด.
ข้อเสียเปรียบหลักของแซฟไฟร์คือความแข็งทำให้การประมวลผลทางแสงทำได้ยาก. วัสดุที่คล้ายกันอีกชนิดหนึ่งเรียกว่าสปิเนล. สปิเนลมีผลคล้ายกับแซฟไฟร์รีดร้อน และสามารถใช้แทนแซฟไฟร์ได้. หินสปิเนลยังมีการกระจายตัวสูง.
การใช้งานแซฟไฟร์ส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับวัสดุซับสเตรต LED, เครื่องใช้ไฟฟ้าและการทหาร. เป็นวัสดุสำคัญในการสนับสนุนการพัฒนาด้านการอนุรักษ์พลังงาน, การคุ้มครองสิ่งแวดล้อม, เทคโนโลยีสารสนเทศยุคใหม่, ยานพาหนะพลังงานใหม่และอุตสาหกรรมอื่นๆ.