紅外探測(cè)器濾光片分析應(yīng)用簡(jiǎn)介
紅外探測(cè)器是一種將紅外輻射(波長(zhǎng)范圍約0.75μm~1000μm)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置,其核心工作原理基于光電效應(yīng)或熱效應(yīng);常見一般分為光電型探測(cè)器和熱釋電型探測(cè)器;光電型探測(cè)器(如碲鎘汞、銦鎵砷)通過紅外光子激發(fā)半導(dǎo)體材料中的電子躍遷,產(chǎn)生光電流。熱釋電型探測(cè)器(如鉭酸鋰、硫酸三甘肽)利用紅外輻射的熱效應(yīng)改變材料極化狀態(tài),輸出電信號(hào)。 當(dāng)然,無(wú)論哪種類型,紅外探測(cè)器都需要通過光學(xué)系統(tǒng)(透鏡、濾光片等)對(duì)入射光進(jìn)行篩選和聚焦,以提升信噪比和探測(cè)精度。
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一、紅外光路原理與濾光片的作用
典型的紅外探測(cè)器光路結(jié)構(gòu)包括:紅外光源 → 目標(biāo)物體 → 光學(xué)透鏡組 → 濾光片 → 探測(cè)器感光面。其中,濾光片的核心作用是通過特定波段紅外光通過實(shí)現(xiàn)波段篩選,抑制背景干擾(如可見光、雜散熱輻射)。在多波段探測(cè)中,通過分光濾光片實(shí)現(xiàn)不同通道的信號(hào)分離實(shí)現(xiàn)光譜分離(例如氣體檢測(cè)中的多組分分析)。
紅外濾光片常見類型與應(yīng)用場(chǎng)景
濾光片類型 | 應(yīng)用波段(典型) | 核心功能 | 典型應(yīng)用場(chǎng)景 |
帶通濾光片 | 3~5μm、8~14μm | 截除非目標(biāo)波段 | 熱成像、火焰探測(cè)、氣體分析 |
長(zhǎng)波通濾光片 | >8μm | 抑制短波噪聲 | 遠(yuǎn)紅外測(cè)溫、夜視成像 |
短波通濾光片 | <3μm | 阻擋長(zhǎng)波熱輻射 | 近紅外光譜分析、激光防護(hù) |
窄帶濾光片 | 特定吸收峰(如CO?的4.26μm) | 高精度光譜提取 | 氣體檢測(cè)(CH?、CO?、NOx等) |
分光濾光片 | 多通道(如3~5μm + 8~12μm) | 多波段同步探測(cè) | 多光譜成像、環(huán)境監(jiān)測(cè) |
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二、濾光片關(guān)鍵參數(shù)與技術(shù)要求
為滿足紅外探測(cè)需求,濾光片需滿足以下核心參數(shù)標(biāo)準(zhǔn):
1. 光譜性能
透過率:目標(biāo)波段內(nèi)平均透過率需≥85%(窄帶濾光片中心波長(zhǎng)透過率≥90%)。
截止深度:非通帶區(qū)域截止深度需≤0.1%(例如8~14μm帶通濾光片在可見光至7.5μm波段需完全截止)。
過渡帶陡度:帶通濾光片的邊緣陡度需≤5%波長(zhǎng)偏移(如8~14μm濾光片在7.5~8μm過渡區(qū)透過率從0%升至80%)。
2. 基材選擇
近紅外(0.75~3μm):硅(Si)、石英玻璃(高機(jī)械強(qiáng)度,但需鍍膜增強(qiáng)紅外透過)。
中紅外(3~5μm):氟化鈣(CaF?)、硫化鋅(ZnS,耐高溫抗腐蝕)。
遠(yuǎn)紅外(8~14μm):鍺(Ge,高折射率需增透膜)、硒化鋅(ZnSe,低吸收損耗)。
3. 鍍膜設(shè)計(jì)
硬質(zhì)多層膜(如TiO?/SiO?交替鍍層)以提升耐久性和環(huán)境適應(yīng)性。
帶通濾光片需采用非周期性膜系設(shè)計(jì)(APF),平衡通帶平坦度和截止深度。
4. 環(huán)境可靠性
溫度穩(wěn)定性:在-40℃~+85℃范圍內(nèi),光譜偏移≤±1%(軍用級(jí)要求≤±0.5%)。
濕度耐受:通過85℃/85%RH雙85測(cè)試后,膜層無(wú)脫落、起泡。
5. 光學(xué)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)
光譜檢測(cè):依據(jù)MIL-PRF-13830B標(biāo)準(zhǔn),使用傅里葉紅外光譜儀(FTIR)進(jìn)行全波段掃描。
面型精度:PV值≤λ/4@632.8nm,避免光路畸變。
三、典型應(yīng)用案例分析
例子:當(dāng)濾光片用于工業(yè)氣體泄漏檢測(cè),如需檢測(cè)甲烷(CH?)在3.3μm的特征吸收峰,可選擇CaF?作為基材(氟化鈣在紅外表現(xiàn)為高透過率,耐熱沖擊)進(jìn)行窄帶濾光片鍍膜,(中心波長(zhǎng)3.3μm±0.05μm,帶寬50nm,透過率≥90%)。
當(dāng)紅外濾光片用于人體測(cè)溫?zé)岢上?/span>時(shí),可選鍍?cè)鐾改さ逆N片,其特點(diǎn)在于兼顧高透過率與機(jī)械強(qiáng)度,能夠有效抑制可見光干擾,聚焦8~14μm人體熱輻射波段,同時(shí)采用長(zhǎng)波通紅外進(jìn)行鍍膜方案(截止波長(zhǎng)≤7.5μm,8~14μm透過率≥92%)。
四、未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)
目前而言,針對(duì)紅外探測(cè)器濾光片主要覆蓋三個(gè)方面;
1. 超窄帶濾光片:光譜帶寬向納米級(jí)發(fā)展,支持高分辨率光譜分析。
2. 智能可調(diào)濾光片:基于MEMS或液晶技術(shù),實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)波段切換。
3. 耐極端環(huán)境鍍膜:適應(yīng)航空航天、深海探測(cè)等嚴(yán)苛場(chǎng)景。
總的來(lái)說,紅外探測(cè)器濾光片對(duì)于紅外光學(xué)系統(tǒng)發(fā)揮著關(guān)鍵性作用,其制作到產(chǎn)品應(yīng)用都覺得著其實(shí)際的使用效果,隨著紅外技術(shù)向智能化、微型化發(fā)展,濾光片的設(shè)計(jì)與制造將持續(xù)推動(dòng)紅外探測(cè)領(lǐng)域的創(chuàng)新突破。