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用于传感器和探测器的光学滤波片

改变困境:用于传感器和探测器的新型光学滤波片

环境空气质量;接近控制;人群计数;气候变化;物联网。我们的世界已经受到越来越多的监控,传感器和探测器的增加让我们和我们的设备能够更好地了解我们的环境并与之互动。光子学是实现这一增长的关键技术之一,同时还促进了低成本、紧凑、可靠的光学传感器和探测器的开发和商业化。所有光学传感器和探测器基本上都以类似的方式运行;

  1. 光源照亮关注的样本
  2. 样本通过吸收、反射、透射或能量交换现象(例如荧光或非弹性(拉曼)散射)与光相互作用
  3. 样本的输出在探测器上接收到

为了区分关注的分析物,必须在光源、探测器或两者(在某些情况下)上启用波长选择性。多层介质滤波片是一种为这些光学传感器/探测器提供波长选择性的无源、可靠、高选择性、经济的手段。光学滤波片技术已经在耐久性、滤波片形状复杂性和成本方面取得了进步,以解决 VIS/NIR/SWIR 波长范围的需求。现代高能喷射镀膜技术设计出了能够满足严格的环境和使用寿命要求的光学滤波片,这些光学滤片不依赖层压来保护它们免受环境的影响,同时当它们磨损和褪色时也不需要进行更换。由于传感器和探测器通常用于现实世界而不是实验室环境,光学滤波片的耐久性和可靠性是“必须具备”的参数,而不是“有更好,没有也行”的参数。中长波红外 (MWIR:: 3-5µm/LWIR:8-12µm) 中采用的探测器,曾经只是军事和国防业工业的领域,随着成本的降低,其商业利益也愈发明显。这有助于推动市场上商业应用对光学滤波片的需求,例如监控、安防、工业过程控制、环境监测和分析以及医药,并创建了一系列新的光学滤波片需求。通过开发现场光学监控和自动镀膜机控制以及动态设计调整,促进了光学滤波片的成功生产,这些滤波片的光学性能日益复杂,同时信噪比和多带光谱性能也获得了改进。结合涂布机一致性的改进以及通过负载真空锁系统的高效机器运作,这些先进的沉积技术降低了滤波片的制造成本,与此同时,所生产的滤波片的复杂性也获得了提高。

气体检测:非色散红外 (NDIR) 和光声光谱 (PAS)

检测特定气体分子是否存在以及它们的浓度在许多应用和市场上都有价值:

  • 工业过程监控(例如燃烧或食物变质)– CH4,CO2,CO
  • 汽车尾气或机舱空气质量 – Nox,CO2
  • 建筑空气质量/安全 – 甲醛,CO
  • 麻醉科、睡眠呼吸暂停症、酒量测定器的医疗/健康气体监测
  • 火焰检测
  • 动作感应,人群人数

与电化学传感器不同,光学红外气体传感器可以检测到这些特定气体分子是否存在以及它们的浓度,且不依赖于化学反应。这可以提高使用寿命,因为它们不会随着时间的推移受到性能下降的影响。非色散红外 (NDIR) 传感器是由 IR 源、气体样本和探测器构成的相对简单的光学设备(见图 1)。位于探测器前方的波长选择光学滤波片的存在是确定待测气体的关键部件。


图 1:NDIR 气体探测系统图解

气体上的入射红外光将根据与存在的气体分子相关的独特光谱“指纹”进行吸收(见表 1)。如果带通区域与所选的一种(或多种)气体的峰值吸收带对应,光学滤波片将导致过滤后的红外线到达探测器的强度,这完全取决于所选气体的浓度。

表 1:中长波红外气体吸收峰值波长

Gas MoleculePeak wavelength (µm)
H2O (water)2.7
CH4 (methane and other hydrocarbons)~3.3-3.5
CO2 (carbon dioxide)4.26
CO (carbon monoxide)4.67
NOx (nitrogen oxides)~5.3
N2O (nitrous oxide)7.73
O3 (ozone)9.0

如果不存在关注的气体,强度将与参考水平相匹配,如果存在选择的气体,探测器上的强度将与气体浓度成反比,根据朗伯一比耳定律:

其中,I 表示探测器上的光强度,I0 表示参考强度(气体不存在),k 表示系统的吸收系数恒量,P 表示被测气体的浓度。与大多数采用光照明和探测的光子传感器技术(例如 NDIR)不同,在光声光谱 (PAS) 中,光通过样本气体转化为声音。样本室中的气体由调制的 MWIR 光激发。吸收此光能会引起待测气体的温度和压力升高,这反过来又会产生声波振动,这种振动可以被样本室上极其灵敏的传声器检测到(见图 2)。这种“光声效应”(通过材料上入射的调制光产生声音)是 Alexander Graham Bell 于 1880 年发现,并于 1880 年 8 月发表在《美国科学杂志》第三系列第 XX 卷第 118 期“On the production and reproduction of sound by light(光的声音生产和再生产)”这篇论文之上,同时还摘录了他在美国科学促进协会之前的解读。

图 2:PAS 气体探测系统图解

朗伯一比耳定律也同样适用,但以下情况除外:样本室不是检测光强度的变化,而是检测麦克风的功率输出,此输出与存在的气体分子(它们的浓度)和激发波长的吸收横截面成比例。PAS 的一个关键优势是,它不是被检测到的透射光强度的降低,而是传声器功率从“零基线”状态上升。这使得这些系统无需基准信号。在这些 PAS 设备中,通过定制照明光源的波长以匹配关注的特定气体的吸收带,实现了信号的选择性。窄带通滤波片 (BPF) 提供一种经济、可靠的解决方案,该解决方案可以将简单的 MWIR 宽带光转变为单色照明光源。它可以表现为样本室的输入上的波长选择窗口 (用于感知单种特定气体)或者滤波片转盘,以允许选择不同的激发波长,从而使样本室能够感知和检测关注的不同气体。对于 NDIR 和 PAS 传感器系统,所使用的光学滤波片类似于用于在可见光波长范围内进行荧光检测和分析的窄发射带通滤波片。遗憾的是,在 VIS 范围内常用的金属氧化物介质镀膜材料和玻璃基体在 M/LWIR 范围内并不是透明的,尽管 M/LWIR 有许多合适的透明基体选择(例如硅、锗、蓝宝石、硒化锌等),但在 M/LWIR 范围内以往可用的材料往往只能够通过蒸发技术进行沉积,而这会导致镀膜不那么坚固。新的溅射方法能够沉积红外透明材料,从而能够生产坚固的光学滤波片。此外,这些溅射材料允许设计和沉积具有以下特点的耐用镀膜:窄通带(< 中心波长的 5%), 高峰值透射率 (>70%) 和广泛阻隔 (UV-LWIR) ,以提供检测特定气体吸收线所需的高选择性。

图 3:益瑞电 M/LWIR 气体检测的带通滤波片曲线

以往,红外气体传感器系统比电化学系统更昂贵,但是随着低成本 MWIR 传感器的增加,以及 MWIR“气体带通”光学滤波片的改进、成本降低、增加、更大选择性、耐久性和可担负性,预计未来对 NDIR 或 PAS 气体传感器的需求将继续出现大幅增长。由于传感器在社会各个方面的增加,对这些气体传感器的新需求将继续出现。

遥感和多光谱成像 (MSI)

尽管各种 M/LWIR 探测器的价格相对可承受,但仍有一些应用重视对探测器和系统进行优化,以分析单个设备中的不同现象和构成部分。在卫星上部署的用于环境特征遥感的地球观测仪器必须进行优化,以满足有关大小、空间和重量的允许预算,并且非常重视“融合”不同时变现象的图像以证实这些现象之间的关系和依赖关系的能力。光学工程师通过将光学滤波片与空间变化的光谱性能(多域滤波片)与摄像机/探测器结合起来,解决了这一难题,同时还创建了多光谱成像 (MSI) 系统,最大限度降低了成本和有效载荷,提供了多个分析物的“一个瞬间”图像融合。尽管在 VIS-NIR 中可以利用光刻工艺来对 M/LWIR 中整体基体的不同光谱区进行成像从而构建出多光谱成像系统,但镀膜厚度和不同的镀膜和基体材料对传统的 MSI 制造方法提出了挑战。益瑞电光谱技术有限公司已经开发了从单个 M/LWIR 带通滤波片组装阵列的技术来解决这一难题。公司开发出各种沉积工艺和材料,可用来生产稳健的光谱选择性滤波片元件(类似于上述气体带通滤波片)。通过大量实验和测试,组装技术已经获得了改进,使公司能够生产耐用、可靠的阵列。这些阵列可将像素损失降到最低(控制良好的光驱大小和最少过渡区),同时满足空间仪器所需的环境和机械要求(辐射不灵敏性、结构完整性等)。图 4 显示了这项技术的一项最新应用示例。该光学器件是与 ABB 加拿大公司在加拿大航天局 (CSA) 空间技术发展项目 (STDP) 的分包合同下开发的,由 M/LWIR 中的十个不同的光谱带组成,大小只有一便士那么大。


图 4:M/LWIR 滤波片矩阵和光谱曲线(在与 ABB 加拿大公司在加拿大航天局空间技术发展项目的分包合同下开发的)

在该光学器件中,不同的光谱带能够对云高、臭氧含量、大气层粉尘、风级、湿度、雾气、火灾、冰等环境特征实现同步成像 (3)。在未来的十年里,当这项技术进入正轨后,将获得测量和监测这些环境特征、提升加拿大北极地区的天气预报和气候学的新能力 (2017)。通过利用 M/LWIR 多域滤波片或将这些滤波片与 VIS-SWIR 滤波片结合使用,可以为农业、林业等领域的其他遥感应用提供更大的光谱覆盖,从而便于追踪自然或人为灾害(火山灰云、森林火灾)的影响。

中红外带通滤波片

益瑞电的短波、中波和长波红外带通滤波片专门设计用于优化光谱发射谱线的检测。 这些滤波片采用高能溅射沉积工艺,这使得它们非常坚硬和耐用。

  • 可靠性符合 MIL-C-48497A 标准
  • 符合 RoHS 标准

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