Was ist Infrarotoptik? Eine Einführung in die Infrarotoptik.

Autor: Yana Abiso – Produktingenieurin

Editor: Bryan Ng – Marketingmanager

Editor: Preethi – Technischer Support-Ingenieur

Editor: Ng Ci Xuan – F&E-Praktikant

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1. Was ist Infrarotoptik?

Infrarot-Optik-Spektren
Abbildung 1: Wellenlängenspektren der Infrarotoptik

Infrarotoptiken werden zum Sammeln, Fokussieren oder Kollimieren von Licht in den Spektren Nahinfrarot (NIR), Kurzwelleninfrarot (SWIR), Mittelwelleninfrarot (MWIR) oder Langwelleninfrarot (LWIR) verwendet. Das Infrarotspektrum fällt in Wellenlängen von 700 bis 16000 nm und die jeweiligen Spektren sind wie folgt unterteilt:

  • NIR 700 – 900 nm
  • SWIR 900 – 2300 nm
  • MWIR 3000 – 5000 nm
  • LWIR 8000 – 14000 nm

2. Kurzwellen-Infrarot (SWIR)

Bildgebende Optik IR-Optik Infrarotoptik Kurzwellen-Infrarotlinsen SWIR-Linsen
Wavelength Opto-Electronic SWIR-Objektiv

Das SWIR-System deckt einen Spektralbereich von 0.9 μm bis 3 μm ab. Das Optikmaterial muss sichtbares und infrarotes Licht durchlassen und benötigt eine Lichtquelle wie Sonne, Mond, Sterne usw.

Es wird in zahlreichen Anwendungen wie Spektroskopie zum Sortieren, Feuchtigkeitserkennung, Wärmebildgebung (für Glas- und Kunststoffobjekte) und Bildgebung – Nachtsicht und Bildgebungslaser – eingesetzt.

3. Mittelwellen-Infrarot (MWIR)

Bildgebende Optik IR-Optik Infrarotoptik Mittelwellen-Infrarotlinsen MWIR-Linsen
Wavelength Opto-Electronic MWIR-Objektiv

Das MWIR-System deckt einen Spektralbereich von 3–5 μm ab und ist typischerweise ein gekühltes System. Daher wird es im Vergleich zum LWIR-System für die meisten Zielbereiche weniger von der Luftfeuchtigkeit beeinflusst, was sich für Anwendungen wie Küstenüberwachung, Überwachung des Schiffsverkehrs oder Hafenschutz eignet.

Da das Hauptziel darin besteht, qualitativ hochwertige Bilder zu erhalten, anstatt sich auf Temperaturmessungen und Mobilität zu konzentrieren.

Die Bilder unten zeigen, dass das MWIR-Bild im Vergleich zum LWIR-Bild schärfer ist und einen hohen thermischen Kontrast aufweist.

Was ist ein Infrarot-Optik-MWIR-Diagramm?
Abbildung 2: MWIR-Bild
Was ist Infrarotoptik? LWIR-Diagramm
Abbildung 3: LWIR-Bild

4. Langwelliges Infrarot (LWIR)

Bildgebende Optik IR-Optik Infrarotoptik Langwellen-Infrarotlinsen LWIR-Linsen
Wavelength Opto-Electronic LWIR-Objektiv
Anwendung zur Messung der Massentemperatur
Abbildung 4: Massentemperatur-Screening

Das LWIR-System arbeitet in einem Spektralbereich von 7–14 μm. Die meisten LWIR-Kameras decken jedoch effektiv 8-12 μm ab.

Das LWIR-System ist allgemein bekannt als „Wärmebild„Da es Wärmesignaturen erkennt, die von einem Objekt ausgehen, und keine Beleuchtung erforderlich ist, um ein Bild zu erzeugen.

Ja, unser Angebot an LWIR-Objektiven spielt auch während der COVID-19-Pandemie eine wichtige Rolle.

Die Wärmebildfähigkeiten des LWIR-Systems haben es zu einer attraktiven Schlüsselkomponente für eine wachsende Zahl von Sicherheits-, Überwachungs-, wissenschaftlichen und industriellen Anwendungen gemacht.

Was ist Infrarotoptik? Wärmebildtechnik
Abbildung 5: Wärmebildüberwachung
Was ist Infrarotoptik? Wärmebild 2
Abbildung 6: Wärmebildüberwachung
Was ist Infrarotoptik? Wärmebild 3
Abbildung 7: Wärmebildüberwachung

5. Funktionalitätskategorisierung

Was ist Infrarotoptik? Eine Einführung in die Infrarotoptik. 1
Wavelength Opto-Electronic Infrarotlinsen

Im Allgemeinen werden Infrarotoptiken hinsichtlich des Wellenlängenspektrums in SWIR, MWIR und LWIR eingeteilt. Es gibt jedoch auch Unterkategorien, je nachdem, wie es entsprechend seiner Funktionalität gestaltet ist, wie zum Beispiel:

  • Athermische Linse
    Ein optisches System ist athermalisiert, wenn sich seine kritischen Leistungsparameter wie Modulationsübertragungsfunktion, hintere Brennweite und effektive Brennweite usw. über den Betriebstemperaturbereich nicht nennenswert ändern.
  • Zoomobjektiv
    Ein optisches System, das kontinuierlich schmale und weite Sichtfelder abdeckt.
  • Dual-FOV-Objektiv
    Ein optisches System, das die Möglichkeit bietet, deutlich vom breiten zum schmalen Sichtfeld zu wechseln.
  • Dualband-Objektiv
    Ein optisches System, das sowohl den MWIR- als auch den LWIR-Spektrumbereich abdeckt.

6. Technische Daten der Infrarotoptik

ArtikelnummerWellenlänge (µm)Brennweite (mm)FokustypF#BWD (mm)MontierenDetektor
Infrarot-SW2003.0-21 *NEUEN*0.9. - 1.7200Manuell3.012.5C-Mount1280 x 1024, 10 µm
Infrarot-SW122.5-151.5. - 5.012Manuell2.533.1Bajonett640 x 512, 15 µm
Infrarot-SW252.5-151.5. - 5.025Manuell2.533.1Bajonett640 x 512, 15 µm
Infrarot-SW253.0-171.5. - 5.025Manuell3.033.1Bajonett1024 x 768, 17 µm
Infrarot-SW502.5-151.5. - 5.050Manuell2.533.1Bajonett640 x 512, 15 µm
Infrarot-SW502.3-171.5. - 5.050Manuell2.339.4Bajonett1024 x 768, 17 µm
Infrarot-SW1002.3-171.5. - 5.0100Manuell2.333.1Bajonett1024 x 768, 17 µm
Infrarot-SW1002.5-151.5. - 5.0100Manuell2.533.1Bajonett640 x 512, 15 µm
Infrarot-SW2002.5-151.5. - 5.0200Manuell2.533.1Bajonett640 x 512, 15 µm
Infrarot-SW252.5-300.9. - 2.525Manuell2.513.5C-Mount320 x 256, 30 µm
Infrarot-SW352.0-300.9. - 2.535Manuell2.013.4C-Mount320 x 256, 30 µm
Infrarot-SW502.0-300.9. - 2.550Manuell2.013.5C-Mount320 x 256, 30 µm
Infrarot-SW752.0-300.9. - 2.575Manuell2.013.5C-Mount320 x 256, 30 µm
Infrarot-SW1002.0-300.9. - 2.5100Manuell2.013.5C-Mount320 x 256, 30 µm
Infrarot-SW2002.0-300.9. - 2.5200Manuell2.013.5C-Mount320 x 256, 30 µm

Um Ihnen eine bessere Visualisierung zu ermöglichen, haben wir unsere SWIR-Linsentabelle und ihre Spezifikationen wie oben beigefügt. Hier sind einige in der Branche allgemein verwendete Infrarotoptik-Spezifikationen:

  • Brennweite
  • F#
  • Spektralbereich
  • FOV (HFOV / VFOV)
  • Bwd
  • Detektorgröße – Siehe Auflösung
  • Athermisch (Arbeitstemperatur)
  • Gekühlt oder ungekühlt, wenn gekühlt, dann fragen Sie danach
    • Kalte Schildposition
    • Höhe des Kälteschildes
  • Objektivleistungsanzeige
    • MTF
    • Verzerrung
    • Relative Beleuchtung
  • Fokustyp
  • Montieren
  • Dichtung

Denken Sie daran, dass Sie die Spezifikationen des Infrarotdetektors oder -sensors verstehen müssen, bevor Sie das zu koppelnde Objektiv auswählen.

7. Was ist ein Infrarotdetektor oder -sensor?

Ein Infrarotdetektor/-sensor ist ein Wandler von Strahlungsenergie, der Strahlungsenergie im Infrarotband in eine messbare Form umwandelt.

Es gibt viele Detektormaterialien mit Reaktionskurven, die in das genannte Infrarotspektrum passen.

Schauen wir uns die Auflösung und Pixelgröße an, mit denen Sie vielleicht vertraut sind:

  •     VGA (Video Graphics Array) – 640 x 480
  •     QVGA (Quarter Video Graphics Array) – 320 x 240
  •     XGA (Extended Graphics Array) – 1024 x 768
  •     HD (High Definition) – 1280 x 1024
  •     Der Trend geht von 30 µm auf 12 µm Pixelgröße immer kleiner

Infrarotdetektoren werden in thermische Typen, die keine Wellenlängenabhängigkeit aufweisen, und Quantentypen, die wellenlängenabhängig sind, eingeteilt.

7.1 Thermischer/Nicht-Quanten-Typ

Beim thermischen/Nicht-Quanten-Typ handelt es sich um einen Detektor/Sensor, der die Temperatur abhängig von der einfallenden Strahlung ändert.

Die Temperaturänderung erzeugt eine Spannungsänderung in der Thermosäule und eine Widerstandsänderung im Bolometer, die dann gemessen und mit der Menge der einfallenden Strahlung in Beziehung gesetzt werden kann.

Dazu gehören Thermoelemente, Thermosäulen, Bolometer und pyroelektrische Detektoren. Eine der attraktivsten Eigenschaften von thermischen Detektoren ist die gleiche Reaktion auf alle Wellenlängen.

Dies trägt zur Stabilität eines Systems bei, das über einen weiten Temperaturbereich betrieben werden muss. Ein weiterer wichtiger Faktor ist, dass thermische Detektoren keine Kühlung benötigen. 

Der gebräuchlichste thermische/Nicht-Quanten-Detektor ist das VOX-Mikrobolometer.

7.2 Quantentyp

Der Quantentyp ist ein Detektor/Sensor, der auf der Grundlage eines intrinsischen photoelektrischen Effekts arbeitet und direkt mit auftreffenden Photonen interagiert.

Diese Materialien reagieren auf Infrarotstrahlung, indem sie Photonen absorbieren, die die Elektronen des Materials in einen höheren Energiezustand heben und so eine Änderung der Leitfähigkeit, Spannung oder des Stroms verursachen.

Es ist eine Abkühlung auf kryogene Temperaturen erforderlich, um die Effizienz/Empfindlichkeit der Infraroterkennung zu erhöhen. Zu den Kühlmethoden gehören Stirling-Motoren, flüssiger Stickstoff und thermoelektrische Kühlung.

Gekühlte Wärmebildkameras reagieren am empfindlichsten auf kleine Unterschiede in der Szenentemperatur. 

Zu den Quantendetektormaterialien gehören – InSb, InGaAs, PbS, PbSe, HgCdTe (MCT)

8. Fazit

Zusammenfassend werden Infrarotoptikanwendungen in den NIR- bis LWIR-Spektren von 700 – 16000 nm Wellenlänge verwendet. Sie werden auch nach ihrer Funktionalität kategorisiert, z. B. athermisches Objektiv, Zoomobjektiv, Dual-FOV-Objektiv oder Dual-Band-Objektiv. Jetzt kennen Sie die Grundlagen der Infrarotoptik und ihrer Detektortypen, warum sehen Sie sich dann nicht unser gesamtes Sortiment an Infrarot-Linsen?

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