红外热像仪应用中的红外窗口
红外观察窗是热成像系统的关键部件，在将红外辐射从物体传输到探测器而不损害系统完整性方面发挥着重要作用。在恶劣的环境中，高温、高压和污染物可能会损坏光学系统，这些窗口尤其重要。
本文探讨了用于红外窗口的各种特殊光学材料，包括其独特性能和局限性。本文还介绍了应用于这些窗口的不同类型的涂层、它们对性能的影响以及选择合适的红外窗口材料和涂层时需要考虑的因素。这些窗口在热成像系统中发挥着至关重要的作用，可以在恶劣环境下实现高质量的图像捕获。
红外窗口
红外窗口光谱范围一般有：短波红外SWIR（0.7-1.7μm和2.0-2.5μm）、中波红外MWIR（3-5 µm）和长波红外LWIR（8-14 µm）。由于其传输特性不同，因此它们使用的材料也不同。
特殊光学材料
红外窗口通常使用特殊光学材料，因为它们具有独特的性质，非常适合某些应用。这些材料包括：
1. 锗（Germanium, Ge）
· 波长范围：2–14 μm（覆盖MWIR和LWIR）
· 优点：
o 高透过率（>40% @8–14 μm，需镀增透膜）。
o 硬度高（莫氏硬度6），耐磨损。
o 广泛用于LWIR热像仪（如安防、消防设备）。
· 缺点：
o 折射率高（~4.0），需镀增透膜（如金刚石膜）以减少反射损失。
o 脆性大，抗冲击性差。
o 高温下（>100℃）性能下降，需控温设计。
o 成本高（依赖高纯度单晶锗）。
典型应用：民用热像仪、车载夜视系统。
2. 硫化锌（Zinc Sulfide, ZnS）
· 波长范围：0.4–12 μm（多光谱型）或8–12 μm（标准型）
· 优点：
o 宽波段透射（多光谱型覆盖可见光到LWIR）。
o 抗热震性较好，耐沙尘侵蚀。
o 适用于恶劣环境（如军事装备）。
· 缺点：
o 硬度较低（莫氏硬度3），易划伤，需镀保护膜。
o 长波区域（>12 μm）透过率下降。
o 成本高于锗（多光谱型尤其昂贵）。
典型应用：导弹导引头、机载红外窗口。
3. 硒化锌（Zinc Selenide, ZnSe）
· 波长范围：0.5–20 μm（最佳在2–14 μm）
· 优点：
o 超宽波段高透过率（>70% @8–12 μm，无需镀膜）。
o 耐高温（可达250℃），适合高温环境。
· 缺点：
o 硬度极低（莫氏硬度2.5），极易划伤，需镀保护层（如类金刚石膜）。
o 对湿度敏感，长期暴露易氧化。
o 成本极高（加工难度大，材料稀缺）。
典型应用：高精度热成像系统、激光光学元件。
4. 氟化钙（Calcium Fluoride, CaF₂）
· 波长范围：0.2–8 μm（最佳在3–5 μm MWIR）
· 优点：
o 低折射率（~1.4），反射损失小，无需镀膜。
o 耐化学腐蚀，抗辐射性能好。
· 缺点：
o 机械强度差（易碎裂），仅适用于轻负载场景。
o 在LWIR波段（>8 μm）透过率骤降。
o 易潮解（需密封保护）。
典型应用：中波红外光谱仪、低温环境传感器。
5. 硅（Silicon, Si）
· 波长范围：1.2–7 μm（最佳在3–5 μm MWIR）
· 优点：
o 成本低，易加工（可制成大尺寸窗口）。
o 高硬度（莫氏硬度7），耐磨损。
· 缺点：
o LWIR波段（>7 μm）不透明，仅限MWIR使用。
o 需镀增透膜（如SiO₂）以提升透过率。
典型应用：工业测温、短波红外激光系统。
6. 蓝宝石（Sapphire, Al₂O₃）
· 波长范围：0.15–5.5 μm（最佳在3–5 μm MWIR）
· 优点：
o 超高硬度（莫氏硬度9），耐冲击、抗刮擦。
o 耐高温（熔点2050℃），适合极端环境。
· 缺点：
o LWIR波段（>5.5 μm）完全不透明。
o 折射率高（~1.7），需镀增透膜。
o 成本高（大尺寸加工困难）。
典型应用：航空发动机热监测、高压高温传感器。
7. 氟化镁（Magnesium Fluoride, MgF₂）
· 波长范围：0.2–7 μm（紫外到MWIR）
· 优点：
o 抗紫外线老化，耐潮湿。
o 低折射率（~1.38），反射损失小。
· 缺点：
o LWIR波段透过率低，仅限MWIR使用。
o 机械强度一般（莫氏硬度5）。
典型应用：多光谱传感器、紫外-红外复合系统。
涂层
红外窗口上通常会涂上涂层以提高其性能。最常见的四种涂层是抗反射 (AR) 涂层、保护涂层、DLC 涂层和波长特定涂层（又称带通涂层）。
1. 抗反射 (AR) 涂层：抗反射涂层用于最大程度地减少反射并增加红外辐射通过窗户的透射率。这些涂层通常由多层具有不同折射率的介电材料制成。
2. 保护涂层：保护涂层用于保护红外窗口免受划痕、磨损和其他形式的损坏。这些涂层通常由硬质材料制成，例如类金刚石碳 (DLC) 或碳化硅 (SiC)。
3. 类金刚石碳 (DLC) 涂层： DLC 涂层极其坚硬耐用，非常适合在恶劣环境下使用。它们还可以减少反射损失并提高 LWIR 范围内的传输率。
4. 波长区域特定涂层：这种涂层通常根据窗户的预期应用而应用。例如，锗窗户可能有宽带涂层，允许 3 µm 至 14 µm 的波长通过。为 LWIR（长波红外）应用制造的窗户可能采用有利于 8 µm 至 14 µm 的涂层。
对性能的影响
红外窗口的材料和涂层的选择会对其性能产生影响。选择材料和涂层时应考虑以下因素：
1. 透射率：红外辐射通过窗户的透射率是最重要的考虑因素。材料和涂层应在所需光谱范围内具有高透射率。
2. 耐用性：材料和涂层应足够耐用，以承受其使用环境的恶劣条件。它们应该能够抵抗划痕、磨损、热冲击和其他形式的损坏。
3. 图像质量：材料和涂层不应导致图像失真或降低图像的清晰度。
4. 成本：应考虑材料和涂层的成本，因为某些特殊材料和涂层可能很昂贵。
结论
红外窗口是热成像系统的重要组成部分，可以在恶劣环境下传输高质量图像。考虑到传输、耐用性、图像质量和成本等因素，这些窗口的材料和涂层的选择对其性能起着至关重要的作用。
最终，选择合适的红外窗口材料和涂层对于确保最佳性能和最大限度延长系统使用寿命至关重要。随着技术和材料的不断进步，红外窗口的使用很可能将继续在军事和航空航天、医疗和工业等各种应用的热成像系统发展中发挥重要作用。
FLIR红外热像仪产品展示：
FLIR A50/A70系列自动化集成用小型红外热像仪
选配Wi-Fi、集成式可见光视场，兼容GigE Vision和GenICam等多种通信标准。红外分辨率464×348 (A50)，640×480 (A70)，可见光分辨率1280×960，帧频30Hz，测温标定-20℃~1000℃，选配29°、51°和95°镜头
FLIR A400/A500/A700系列自动化集成用红外热像仪
红外分辨率320×240 (A400) 、464×348 (A500) 、640×480 (A700)，帧频30Hz，测温标定-40℃~2000℃，电动和手动调焦，支持红外可见光双视场融合MSX，支持Wi-Fi传输压缩辐射测量图像流，选配多种长焦、广角和显微镜头，符合 GigE Vision 和 GenICam 标准，支持 GigE 和 RTSP 视频
FLIR A655sc科研级高分辨率高速长波红外热像仪
探测器分辨率640×480，像素间距17μm，波长范围7.5-14μm，NETD＜30mk，时间常数＜8ms，帧频到200Hz，测温标定-40℃~2000℃，电动和手动调焦，选配多种长焦、广角和显微镜头，兼容GIGE VISION™标准
FLIR X8580科学级高清中波红外热像仪
FLIR 锑化铟（InSb）探测器，红外分辨率1280×1024，像元间距12μm，波长1.5-5μm，全窗口帧频181Hz，NETD＜30mk，测温-20℃~3000℃，4位暖滤镜轮自动切换，支持512GB SSD内部存储，选配多种长焦、广角和显微镜头，支持GigE Vision，Camera Link，CoaXPress®1.1，双 5 Gb 链路
FLIR A6301系列高级中波红外热像仪
27000小时制冷机寿命，快速积分时间支持硬件同步和触发，与外部信号源之间的低延迟、确定性同步意味着在需要决策支持时可精确捕获热图像。红外分辨率640×512，像元间距15μm，波长范围3-5μm，NETD＜15mk，选配17mm、24mm和50mm镜头
FLIR A6750 SLS高性能制冷长波红外热像仪
FLIR应变层超晶格SLS探测器，红外分辨率640×512，像元间距15μm，波长范围7.5-11μm，全窗口帧频125Hz可编程，积分时间480ns至全帧，测温标定-20℃~650℃，选配25mm、50mm和100mm等镜头
