อินฟราเรดออปติกส์คืออะไร? บทนำเกี่ยวกับอินฟราเรดออปติกส์

ผู้แต่ง: Yana Abiso – วิศวกรผลิตภัณฑ์

บรรณาธิการ: Bryan Ng – ผู้จัดการฝ่ายการตลาด

บรรณาธิการ: Preethi – วิศวกรสนับสนุนด้านเทคนิค

บรรณาธิการ: Ng Ci Xuan – R&D Intern

1. อินฟราเรดออปติกส์คืออะไร?

เลนส์อินฟราเรดใช้เพื่อรวบรวม โฟกัส หรือปรับแสงในสเปกตรัมอินฟราเรดใกล้ (NIR) อินฟราเรดคลื่นสั้น (SWIR) อินฟราเรดคลื่นกลาง (MWIR) หรือสเปกตรัมอินฟราเรดคลื่นยาว (LWIR) สเปกตรัมอินฟราเรดอยู่ในช่วงความยาวคลื่น 700 – 16000 นาโนเมตร และแต่ละสเปกตรัมจะมีช่วงดังนี้:

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

2. อินฟราเรดคลื่นสั้น (SWIR)

ระบบ SWIR ครอบคลุมตั้งแต่ช่วงสเปกตรัม 0.9μm-3μm วัสดุออพติกจำเป็นต้องส่งแสงที่มองเห็นได้และแสงอินฟราเรด และไม่ต้องการแหล่งกำเนิดแสง เช่น ดวงอาทิตย์ ดวงจันทร์ ดวงดาว ฯลฯ

มันถูกนำไปใช้ในการใช้งานมากมาย เช่น สเปกโทรสโกปีสำหรับการคัดแยก การตรวจจับความชื้น การถ่ายภาพความร้อน (ใช้สำหรับวัตถุที่เป็นแก้วและพลาสติก) และการถ่ายภาพ - การมองเห็นตอนกลางคืนและเลเซอร์สร้างภาพ

3. อินฟราเรดคลื่นกลาง (MWIR)

ระบบ MWIR ครอบคลุมช่วงสเปกตรัม 3-5μm และโดยทั่วไปจะเป็นระบบระบายความร้อน ดังนั้นจึงได้รับผลกระทบจากความชื้นน้อยกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับระบบ LWIR สำหรับช่วงเป้าหมายส่วนใหญ่ ซึ่งเหมาะสำหรับการใช้งาน เช่น การเฝ้าระวังชายฝั่ง การเฝ้าระวังการจราจรบนเรือ หรือการป้องกันท่าเรือ

เนื่องจากเป้าหมายหลักคือการได้ภาพคุณภาพสูงมากกว่าเน้นการวัดอุณหภูมิและความคล่องตัว

ภาพด้านล่างระบุว่าภาพ MWIR คมชัดกว่าและมีความเปรียบต่างทางความร้อนสูงเมื่อเทียบกับภาพ LWIR

4. อินฟราเรดคลื่นยาว (LWIR)

ระบบ LWIR ทำงานจากช่วงสเปกตรัม 7-14μm อย่างไรก็ตาม กล้อง LWIR ส่วนใหญ่ครอบคลุมตั้งแต่ 8-12μm ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ระบบ LWIR มักเรียกกันว่า " การถ่ายภาพความร้อน " เนื่องจากตรวจจับสัญญาณความร้อนที่ปล่อยออกมาจากวัตถุและไม่จำเป็นต้องใช้แสงสว่างในการสร้างภาพ

ใช่ เลนส์ LWIR ของเรายังมีบทบาทสำคัญในช่วงการระบาดของ COVID-19

ความสามารถในการถ่ายภาพความร้อนของระบบ LWIR ทำให้เป็นองค์ประกอบหลักที่น่าสนใจสำหรับการใช้งานด้านความปลอดภัย การเฝ้าระวัง วิทยาศาสตร์ และอุตสาหกรรมที่เพิ่มมากขึ้น

5. การแบ่งประเภทการทำงาน

โดยทั่วไปแล้ว เลนส์อินฟราเรดแบ่งออกเป็น SWIR, MWIR และ LWIR ในแง่ของสเปกตรัมความยาวคลื่น อย่างไรก็ตาม มันยังถูกจัดประเภทย่อยด้วยว่าได้รับการออกแบบให้สอดคล้องกับการใช้งานอย่างไร เช่น:

• เลนส์ระบายความร้อน
  ระบบออพติคอลจะถูกทำให้ร้อนด้วยความร้อน หากพารามิเตอร์ประสิทธิภาพที่สำคัญ เช่น ฟังก์ชันถ่ายโอนการปรับ ทางยาวโฟกัสด้านหลัง และทางยาวโฟกัสที่มีประสิทธิภาพ ฯลฯ ไม่เปลี่ยนแปลงอย่างเห็นได้ชัดในช่วงอุณหภูมิการทำงาน
• เลนส์ซูม
  ระบบออพติคัลที่ครอบคลุม FOV ทั้งแคบและกว้างอย่างต่อเนื่อง
• เลนส์ FOV คู่
  ระบบออปติคัลที่ให้ตัวเลือกในการเปลี่ยนจาก FOV แบบกว้างเป็น FOV แบบแคบได้อย่างชัดเจน
• เลนส์ดูอัลแบนด์
  ระบบออปติคัลที่ครอบคลุมช่วงสเปกตรัม MWIR และ LWIR

6. ข้อมูลจำเพาะเกี่ยวกับเลนส์อินฟราเรด

เพื่อให้คุณเห็นภาพได้ดีขึ้น เราได้รวมตารางเลนส์ SWIR และข้อมูลจำเพาะไว้ด้านบน ต่อไปนี้คือข้อกำหนดบางประการเกี่ยวกับเลนส์อินฟราเรดที่ใช้กันทั่วไปในอุตสาหกรรม:

• ความยาวโฟกัส
• F#
• ช่วงสเปกตรัม
• เอฟโอวี (HFOV / VFOV)
• Bwd
• ขนาดเครื่องตรวจจับ – อ้างอิงถึงความละเอียด
• ความร้อน (อุณหภูมิในการทำงาน)
• Cooled หรือ Uncooled ถ้าเย็นแล้วขอ
  • ตำแหน่งโล่เย็น
  • ความสูงของโล่เย็น
• ตัวบ่งชี้ประสิทธิภาพของเลนส์
  • MTF
  • การบิดเบือน
  • ความสว่างสัมพัทธ์
• ประเภทโฟกัส
• ติด
• การปิดผนึก

โปรดทราบว่าคุณต้องเข้าใจข้อกำหนดของเครื่องตรวจจับอินฟราเรดหรือเซ็นเซอร์ก่อนที่จะเลือกเลนส์ที่จะจับคู่

7. เครื่องตรวจจับหรือเซ็นเซอร์อินฟราเรดคืออะไร?

เครื่องตรวจจับ/เซ็นเซอร์อินฟราเรดเป็นตัวแปลงพลังงานการแผ่รังสี แปลงพลังงานการแผ่รังสีในแถบอินฟราเรดให้อยู่ในรูปแบบที่วัดได้

มีวัสดุตรวจจับจำนวนมากที่มีเส้นโค้งตอบสนองที่พอดีกับสเปกตรัมอินฟราเรดที่กล่าวถึง

มาดูความละเอียดและขนาดพิกเซลที่คุณอาจคุ้นเคยกัน:

•     VGA (อาร์เรย์กราฟิกวิดีโอ) – 640 x 480
•     QVGA (อาร์เรย์กราฟิกวิดีโอไตรมาส) – 320 x 240
•     XGA (อาร์เรย์กราฟิกเสริม) – 1024 x 768
•     HD (ความคมชัดสูง) – 1280 x 1024
•     แนวโน้มมีขนาดเล็กลงจากขนาดพิกเซล 30um เป็น 12um พิกเซล

เครื่องตรวจจับอินฟราเรดถูกจัดประเภทเป็นประเภทความร้อนซึ่งไม่ขึ้นอยู่กับความยาวคลื่น และประเภทควอนตัมซึ่งขึ้นอยู่กับความยาวคลื่น

7.1 ประเภทความร้อน / ไม่ใช่ควอนตัม

ประเภทความร้อน/ไม่ใช่ควอนตัมเป็นเครื่องตรวจจับ/เซ็นเซอร์ที่เปลี่ยนแปลงอุณหภูมิขึ้นอยู่กับรังสีที่กระทบ

การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าในเทอร์โมไพล์และการเปลี่ยนแปลงความต้านทานในโบโลมิเตอร์ ซึ่งสามารถวัดได้และสัมพันธ์กับปริมาณรังสีที่ตกกระทบ

ซึ่งรวมถึงเทอร์โมคัปเปิล เทอร์โมไพล์ โบโลมิเตอร์ และเครื่องตรวจจับไพโรอิเล็กทริก คุณลักษณะที่น่าสนใจที่สุดประการหนึ่งของเครื่องตรวจจับความร้อนคือการตอบสนองที่เท่าเทียมกันต่อความยาวคลื่นทั้งหมด

สิ่งนี้ก่อให้เกิดความเสถียรของระบบที่ต้องทำงานในช่วงอุณหภูมิที่กว้าง ปัจจัยสำคัญอีกประการหนึ่งคือเครื่องตรวจจับความร้อนไม่ต้องการการระบายความร้อน 

เครื่องตรวจจับประเภทความร้อน/ไม่ใช่ควอนตัมที่พบบ่อยที่สุดคือไมโครโบโลมิเตอร์ VOX

7.2 ประเภทควอนตัม

ประเภทควอนตัมคือเครื่องตรวจจับ/เซ็นเซอร์ที่ทำงานโดยอิงจากโฟโตอิเล็กทริกเอฟเฟกต์ที่แท้จริงและโต้ตอบโดยตรงกับโฟตอนที่กระทบ

วัสดุเหล่านี้ตอบสนองต่อรังสีอินฟราเรดโดยการดูดซับโฟตอนที่ยกระดับอิเล็กตรอนของวัสดุให้มีสถานะพลังงานที่สูงขึ้น ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในด้านการนำไฟฟ้า แรงดันไฟ หรือกระแสไฟ

จำเป็นต้องทำให้อุณหภูมิเย็นลงจนถึงอุณหภูมิที่เกิดจากการแช่แข็งเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ/ความไวในการตรวจจับอินฟราเรด วิธีการทำความเย็นรวมถึงเครื่องยนต์ที่ใช้วงจรสเตอร์ลิง ไนโตรเจนเหลว และการระบายความร้อนด้วยเทอร์โมอิเล็กทริก

กล้องถ่ายภาพความร้อนที่มีการระบายความร้อนจะไวต่อความแตกต่างเล็กน้อยของอุณหภูมิฉาก 

วัสดุตรวจจับควอนตัม ได้แก่ InSb, InGaAs, PbS, PbSe, HgCdTe (MCT)

8 ข้อสรุป

โดยสรุปแล้ว การใช้งานเลนส์อินฟราเรดนั้นใช้ในช่วงคลื่น NIR ถึง LWIR ตั้งแต่ 700 – 16000 นาโนเมตร และยังแบ่งตามฟังก์ชันการทำงาน เช่น เลนส์ไร้อุณหภูมิ เลนส์ซูม เลนส์สองมุมมอง หรือเลนส์สองย่านความถี่ เมื่อคุณเข้าใจพื้นฐานของเลนส์อินฟราเรดและประเภทของตัวตรวจจับแล้ว ลองดูเลนส์อินฟราเรด ทั้งหมดของเรา สิ!