什么是热红外材料成像？红外材料都有哪些？

热红外成像通常是指3~5um的中红外（MWIR）成像和8~10um的远红外（LWIR）成像。在这些波段中，关注的是热源，而不是可见光。热红外成像有许多不同应用，如非破坏性测试、红外照相机可以拍摄设备的过热点或者建筑物热量流失位置、在医学领域可测局部体表温度的差异、在快速查找核电厂冷却系统的热泄露点，以及安全防护等。

可见光系统有许多玻璃类型可以使用，但只有极其有限的材料可以有效地用于MWIR和LWIR波段。图18.107给出了比较常用的红外透射材料的透过率图。这些数据包括表面的反射损失，因此，在应用高效增透膜后会产生相当高的透射比。只有极其有限的玻璃材料类型可有效地用于MWIR和LWIR波段。表18.9中列出了比较常用的常用热红外光学材料及它们的主要特性。阿贝常数V的定义为 (n1λ-1)/(n1λ-nHλ)，式中， nCλ 为中心波长的折射率，n1λ为短波长折射率，nHλ为长波长折射率。

常用热红外材料有以下几种：

（1）锗材料：

锗是最普通的红外材料，可用于LWIR波段和MWIR波段。在LWIR波段，它是消色差双透镜中的“冕牌”或正透镜；在MWIR中，它是消色差双透镜中的“火石”或负透镜。这是源于其在两个波段中色散特性的差异。在MWIR波段，锗很接近它的低吸收波段，因此它的折射率变化很快，进而导致较大的色散。这使它适宜作为消色差双透镜中的负光焦度元件。

锗材料有两个很重要的参数：折射率和dn/dt 。锗的折射率略大于4.0，这意味着浅曲面是合理的，易于降低相差，对设计是有利的。参数dn/dt是折射率岁温度的变化。锗的dn/dt是0.000369C。这是一个很大的值，普通玻璃的 dn/dt=0.000360C。这会引起随温度变化的大的焦移，通常需要某种无热化技术（焦点相对温度进行补偿）。

锗是一种晶体材料，以单晶或多晶方式生成。根据生长过程，单晶锗比多晶锗更昂贵。多晶锗的折射率不够均匀，主要是由颗粒边界的杂质造成的，这些杂质会影响成像到FPA的像质。因此，单晶锗称为首选。在高温下，锗材料变得有吸收性，200C时透射比接近零。

单晶锗的折射率不均匀系数为0.00005~0.0001，而多晶锗为0.0001~0.00015。对于光学用途，通常以Ώ.cm为单位指定锗的电阻系数，整个毛坯的电阻系数为5~40 Ώ.cm 一般是可以接受的。图18.109显示了典型的锗毛坯，右侧有一块多晶区域。请注意，单晶区域内电阻系数表现正常而且沿径向缓慢变化，而多晶区的电阻系数则变化迅速。如果用一个合适的红外照相机来观察材料，会看到奇异的类似于蜘蛛网的回旋状图像，这种现象主要集中在颗粒边界。这源于边界处受到的诱导的杂质。硅和一些其他晶体材料的不足之一是脆而易碎。

（2）硅材料

硅是与锗很类似的晶体材料。它主要被用于3~5um的MWIR波段，其在8~12um的LWIR波段存在吸收。硅的折射率比锗略低，但它仍然足够大，有利于像差的控制。另外，硅的色散也相对较低。硅可以被金刚石车削。

（3）硫化锌

硫化锌是常用于MWIR和LWIR波段的材料。它一般呈现锈黄色，对可见光半透明。生产硫化锌的最普通过程被称为化学汽相沉淀。

用热压制成的硫化锌能够对可见光透明。透明硫化锌可用于制造从可见光到LWIR波段的多光谱窗口和透镜。

（4）硒化锌

硒化锌在很多方面与硫化锌类似。它的折射率比硫化锌略高，而结构不如硫化锌牢固。因此，考虑到环境耐久性原因，有时将一薄层硫化锌沉淀到厚的硒化锌基底上。与硫化锌相比，硒化锌的最显著优点是它的吸收系数极小，所以硒化锌通常被用于高能CO2能够系统中。

（5）氟化镁

氟化镁也是一种晶体材料。它的晶体材料可以透射从紫外到MWIR的光谱段。氟化镁可用晶体生长或“热压”的方法制造，结果生成乳状玻璃态材料。它在MWIR波段透射的情况良好，但可能会有不希望的散射，造成对比度的下降和离轴的杂散光。微粒散射反比于波长的四次方，因此可见光下的乳状外观在5um处会缩小1/16。

（6）蓝宝石

蓝宝石是一种极其坚硬的材料。它可透射从深UV到MWIR波段的光。蓝宝石的一个独特特性是高温下很低的热发射率。这意味着高温下材料会发射比其他材料少的热辐射。可将蓝宝石用于制作经受高温的腔体窗口，适于红外波段通过窗口。蓝宝石的主要缺点在于其硬度使光学加工困难。另一种与之类似的材料称为尖晶石。尖晶石在效果上类似于热压蓝宝石，可以替代蓝宝石使用。尖晶石头还具有很高的色散。蓝宝石具有双折射特性，它的折射率是入射极化面的函数。

（7）三硫化砷

三硫化砷是一种可用于MWIR和LWIR波段的材料。它呈现深红色外观，十分昂贵。

（8）其他可用材料

还有许多其他可用材料，包括氟化钙、氟化钡、氟化钠、氟化锂和溴化钾等。这些材料可用于从深紫外到中波红外波段。它们的色彩特性使它们对宽谱段应用极具吸引力，尤其是从近红外中红外甚至到远红外的应用。这些材料中有许多具有某些不希望的特性，尤其是吸湿性。需要适当镀膜以避免湿气的破坏，它们的结构经常需要用干燥氮气净化。