Il germanio è uno dei materiali più utilizzati per costruire obiettivi e finestre ottiche dei visori termici. La sua caratteristica fondamentale è la capacità di trasmettere determinate lunghezze d’onda dell’infrarosso che vengono invece assorbite dal comune vetro ottico.
Alla luce visibile una lente in germanio appare scura, quasi completamente nera e talvolta dotata di riflessi rossastri, violacei o dorati dovuti ai trattamenti superficiali. Per un sensore termico, tuttavia, la stessa lente è trasparente e permette alla radiazione infrarossa emessa dagli oggetti di raggiungere il rilevatore.
Il germanio non produce l’immagine termica e non costituisce normalmente il sensore. La sua funzione è raccogliere, rifrangere e focalizzare la radiazione infrarossa sul microbolometro posto all’interno del dispositivo.
Che cos’è il germanio
Il germanio, simbolo chimico Ge, è un elemento semimetallico con proprietà da semiconduttore. In natura non viene normalmente trovato allo stato puro, ma è presente in piccole concentrazioni all’interno di minerali e come sottoprodotto della lavorazione di altri materiali.
Per le applicazioni ottiche viene purificato e trasformato in materiale policristallino o monocristallino di elevata qualità. Successivamente può essere tagliato, lavorato e lucidato per realizzare:
- lenti per obiettivi termici;
- finestre protettive per sensori infrarossi;
- cupole e componenti ottici;
- filtri per specifiche bande spettrali;
- ottiche per strumenti scientifici e industriali.
La qualità ottica richiede un’elevata purezza e un controllo accurato della struttura del materiale. Inclusioni, impurità e difetti possono assorbire o diffondere la radiazione, riducendo le prestazioni del sistema.
Perché il vetro comune non funziona nei termici
Il vetro utilizzato nelle finestre e nelle comuni ottiche fotografiche è trasparente alla luce visibile, ma assorbe gran parte della radiazione infrarossa nella banda termica a onda lunga.
Un visore da caccia basato su microbolometro lavora normalmente nella banda LWIR, indicativamente compresa tra 8 e 14 micrometri. A queste lunghezze d’onda il vetro comune si comporta come una barriera opaca.
Questo spiega perché non è possibile osservare correttamente attraverso:
- finestre domestiche;
- parabrezza e finestrini degli autoveicoli;
- lenti fotografiche convenzionali;
- protezioni trasparenti realizzate in vetro non specifico.
Il germanio è invece trasparente in un ampio intervallo dell’infrarosso e risulta particolarmente adatto alle bande utilizzate dalle termocamere.
Trasmissione nell’infrarosso
Il germanio di qualità ottica può trasmettere radiazioni in un intervallo indicativo compreso tra circa 2 e 14 micrometri. Per questo viene utilizzato sia nei sistemi a onda media sia in quelli a onda lunga, compatibilmente con il progetto e con i trattamenti applicati.
Le principali bande utilizzate nell’imaging termico sono:
- MWIR: infrarosso a onda media, generalmente tra 3 e 5 µm;
- LWIR: infrarosso a onda lunga, generalmente tra 8 e 14 µm.
La maggior parte dei visori termici non raffreddati destinati alla caccia opera nella banda LWIR. I sistemi MWIR sono più frequentemente associati ad apparati raffreddati, professionali, scientifici o militari.
Il germanio appare nero ma è trasparente al sensore
L’occhio umano percepisce soltanto una piccola parte dello spettro elettromagnetico, corrispondente alla luce visibile. Il germanio assorbe queste lunghezze d’onda e appare quindi scuro.
La radiazione termica rilevata da un visore possiede lunghezze d’onda molto maggiori. In quella regione dello spettro il germanio diventa otticamente trasmissivo e può essere utilizzato per costruire una lente.
Di conseguenza, l’aspetto nero dell’obiettivo non indica una bassa qualità o la presenza di una semplice protezione colorata: è una proprietà fisica del materiale.
Elevato indice di rifrazione
Il germanio possiede un indice di rifrazione molto elevato, vicino a 4 nella regione dell’infrarosso termico. Questa caratteristica permette di realizzare lenti con una forte capacità di deviare e focalizzare la radiazione.
L’elevato indice comporta però anche una notevole riflessione sulle superfici non trattate. Senza un rivestimento antiriflesso, una parte importante della radiazione verrebbe riflessa prima di raggiungere il sensore.
Per questo le lenti vengono normalmente dotate di trattamenti antiriflesso multistrato ottimizzati per la banda spettrale nella quale deve lavorare il dispositivo.
Rivestimenti antiriflesso
Il trattamento antiriflesso riduce le perdite sulle superfici della lente e aumenta la quantità di energia infrarossa che raggiunge il rilevatore. Può inoltre contribuire alla protezione della superficie dagli agenti ambientali.
I riflessi colorati visibili sull’obiettivo dipendono spesso dalla struttura del rivestimento e dall’angolo di osservazione. Il colore esterno non consente però di determinare con certezza qualità, composizione o banda di trasmissione.
Un trattamento deve essere progettato considerando:
- banda spettrale del sensore;
- numero di superfici ottiche;
- angolo d’incidenza della radiazione;
- condizioni climatiche previste;
- resistenza all’abrasione;
- adesione al substrato;
- escursione termica di esercizio.
Graffi o abrasioni del rivestimento possono ridurre la trasmissione e aumentare le riflessioni, anche quando il germanio sottostante non presenta danni strutturali.
Come funziona l’obiettivo termico
L’obiettivo raccoglie la radiazione infrarossa proveniente dalla scena e la focalizza sulla matrice del sensore. Ogni elemento del microbolometro assorbe una piccola parte dell’energia e modifica una propria caratteristica elettrica in funzione del riscaldamento ricevuto.
L’elettronica converte queste variazioni in un’immagine nella quale i differenti livelli di temperatura apparente vengono rappresentati mediante tonalità di grigio o palette cromatiche.
Il percorso può essere riassunto in quattro passaggi:
- il soggetto emette o riflette radiazione infrarossa;
- l’obiettivo in germanio raccoglie e focalizza la radiazione;
- il microbolometro misura le differenze energetiche;
- il processore elabora e visualizza l’immagine termica.
Il germanio non amplifica la radiazione e non vede direttamente la temperatura. È l’elemento ottico che permette al sensore di ricevere un’immagine infrarossa correttamente focalizzata.
Il germanio non è il microbolometro
Una confusione frequente consiste nel considerare il germanio come il materiale che rileva direttamente l’immagine. Nei comuni visori termici da caccia, il sensore è normalmente un microbolometro basato su materiali come:
- ossido di vanadio, indicato come VOx;
- silicio amorfo, indicato come a-Si;
- altre strutture sensibili alla radiazione infrarossa.
Il germanio viene utilizzato prevalentemente per l’obiettivo o per una finestra protettiva. Sensore e lente svolgono funzioni diverse e devono essere valutati separatamente.
Diametro dell’obiettivo
Nei visori termici vengono frequentemente utilizzati obiettivi con diametri nominali di 19, 25, 35, 50 millimetri o superiori. Il diametro influenza la capacità di raccogliere radiazione e, insieme alla lunghezza focale, determina l’apertura relativa del sistema.
Un obiettivo più grande non produce automaticamente un’immagine migliore. Le prestazioni complessive dipendono anche da:
- lunghezza focale;
- numero di apertura o valore F;
- qualità del germanio;
- efficienza del trattamento antiriflesso;
- risoluzione del sensore;
- dimensione dei pixel;
- sensibilità termica NETD;
- algoritmi di elaborazione.
A parità di sensore, aumentando la lunghezza focale si restringe generalmente il campo visivo e aumenta l’ingrandimento ottico. Il diametro deve crescere in proporzione se si vuole mantenere un’apertura relativa luminosa.
Lunghezza focale e campo visivo
Una lente corta offre un campo visivo ampio, utile nel bosco, nella ricerca ravvicinata e nell’osservazione di animali in movimento. Una lente più lunga produce un campo più stretto e permette di rappresentare il soggetto con più pixel alle distanze maggiori.
Il materiale dell’obiettivo può essere lo stesso, ma l’esperienza d’uso cambia sensibilmente. La scelta della lunghezza focale deve essere rapportata alle distanze reali e all’ambiente di osservazione.
Un obiettivo da 50 mm non è necessariamente superiore a uno da 35 mm: può essere più adatto alle lunghe distanze, ma meno pratico quando è necessario controllare rapidamente un’area ampia.
Valore F dell’obiettivo
Il numero di apertura, espresso con sigle come F/1.0 o F/1.2, è il rapporto tra la lunghezza focale e il diametro utile dell’apertura.
Un valore F più basso indica normalmente un sistema capace di raccogliere una maggiore quantità di radiazione, ma richiede lenti più grandi e costose. La prestazione reale dipende anche dalla trasmissione del materiale, dai rivestimenti e dal progetto ottico.
Il diametro riportato nella denominazione commerciale non sempre coincide con l’apertura ottica effettivamente utilizzata. Per un confronto corretto è quindi necessario considerare sia la focale sia il valore F dichiarato.
Germanio e sensibilità termica
La qualità della lente influenza la quantità e l’uniformità della radiazione che raggiunge il sensore. Un obiettivo con bassa trasmissione o rivestimenti inadeguati può ridurre il contrasto e compromettere la capacità del sistema di distinguere piccole differenze termiche.
La sensibilità indicata dal valore NETD appartiene però al sistema di rilevazione e non alla sola lente. Una lente di grande diametro non modifica direttamente il valore nominale del sensore, anche se l’efficienza ottica può influenzare le prestazioni complessive del dispositivo.
Comportamento con la temperatura
L’indice di rifrazione del germanio varia con la temperatura. Questa proprietà può provocare uno spostamento del piano di messa a fuoco quando il dispositivo passa rapidamente da un ambiente caldo a uno molto freddo o viceversa.
I progettisti possono compensare il fenomeno mediante:
- combinazioni di materiali ottici differenti;
- meccanismi di compensazione termica;
- strutture meccaniche a dilatazione controllata;
- sistemi di messa a fuoco regolabile;
- calibrazioni elettroniche e algoritmi dedicati.
Alle temperature elevate aumenta inoltre l’assorbimento del germanio nell’infrarosso. Il materiale non è quindi ideale per ogni applicazione ad alta temperatura e deve essere impiegato entro i limiti previsti dal progetto.
Peso e densità
Il germanio possiede una densità di circa 5,3 g/cm³, superiore a quella dell’alluminio e del comune vetro ottico. Un obiettivo di grande diametro può quindi incidere significativamente sul peso del visore.
La progettazione cerca di ridurre il volume del materiale mantenendo geometria, resistenza e qualità ottica. Il costo e la massa del germanio spiegano in parte perché i termici dotati di obiettivi grandi risultino generalmente più pesanti e costosi.
Lavorazione delle lenti
Il germanio è un materiale duro ma fragile. Può essere lavorato attraverso rettifica, lappatura, lucidatura e tornitura di precisione con utensile diamantato.
La produzione richiede il controllo di:
- curvatura delle superfici;
- spessore centrale e periferico;
- rugosità;
- centraggio;
- uniformità del materiale;
- qualità del bordo;
- adesione dei rivestimenti.
Piccole irregolarità possono ridurre la qualità dell’immagine, soprattutto nei sistemi ad alta risoluzione e con pixel di dimensioni ridotte.
Lenti asferiche
L’elevato indice di rifrazione permette di realizzare lenti asferiche capaci di correggere le aberrazioni utilizzando un numero relativamente contenuto di elementi.
Una superficie asferica non presenta una curvatura sferica costante, ma un profilo progettato per controllare il percorso dei raggi. Questo può contribuire a ridurre peso, ingombro e numero delle lenti, mantenendo una buona qualità dell’immagine su tutto il campo visivo.
Protezione esterna dell’obiettivo
Poiché l’obiettivo frontale è esposto a polvere, pioggia, rami e contatti accidentali, può essere protetto mediante un tappo ribaltabile o una finestra trasmissiva nell’infrarosso.
Una protezione realizzata in vetro comune o plastica non specifica bloccherebbe la radiazione LWIR. Qualsiasi elemento collocato davanti alla lente deve quindi essere progettato per la banda spettrale del termico.
Il tappo dell’obiettivo può essere chiuso durante alcune procedure di calibrazione manuale richieste dal dispositivo, ma non deve essere confuso con l’otturatore interno utilizzato da molti sensori per la correzione dell’uniformità.
Pulizia della lente in germanio
La superficie esterna deve essere trattata come un componente ottico di precisione. Sabbia, polvere e residui minerali possono graffiare il rivestimento se vengono strofinati direttamente.
Per una corretta manutenzione è opportuno:
- rimuovere prima la polvere con aria pulita o una pompetta ottica;
- utilizzare soltanto panni e materiali specifici per lenti;
- applicare detergenti approvati dal produttore;
- evitare carta comune e tessuti ruvidi;
- non esercitare una pressione eccessiva;
- evitare solventi non espressamente compatibili;
- riporre il tappo quando il dispositivo non viene utilizzato.
Non è consigliabile lucidare una lente graffiata con prodotti abrasivi, perché si rischia di rimuovere il trattamento antiriflesso e modificare la geometria ottica.
Germanio e materiali alternativi
Il germanio non è l’unico materiale trasparente all’infrarosso. A seconda della banda e dell’applicazione possono essere utilizzati anche:
- silicio: adatto soprattutto ad alcune applicazioni nel vicino e medio infrarosso;
- seleniuro di zinco: trasmissivo in un intervallo molto ampio, utilizzato anche nei sistemi laser;
- solfuro di zinco: impiegato per finestre e cupole resistenti;
- vetri calcogenuri: materiali infrarossi che possono essere stampati e prodotti in grandi quantità;
- fluoruri cristallini: usati in particolari sistemi ottici e spettrali.
I vetri calcogenuri stanno assumendo maggiore importanza perché possono ridurre il costo e facilitare la produzione di lenti complesse. Il germanio rimane però un riferimento per numerosi sistemi LWIR grazie alle sue proprietà ottiche e alla consolidata esperienza industriale.
Germanio e rilevamento attraverso ostacoli
Un visore termico non permette di vedere attraverso muri, vegetazione fitta o altri materiali opachi alla radiazione infrarossa. La lente in germanio raccoglie soltanto la radiazione che riesce a raggiungerla.
Attraverso foglie, erba e rami può essere possibile riconoscere porzioni di un animale se esistono aperture sufficienti, ma il dispositivo non rende trasparenti gli ostacoli.
Anche nebbia, pioggia intensa e umidità possono attenuare o diffondere parte della radiazione, riducendo contrasto e distanza utile.
Il diametro della lente non determina da solo la distanza
Le distanze di rilevamento, riconosccimento e identificazione non dipendono soltanto dalla quantità di germanio o dal diametro dell’obiettivo.
Devono essere considerati insieme:
- risoluzione del sensore;
- dimensione del pixel;
- focale;
- apertura relativa;
- sensibilità termica;
- qualità dell’elaborazione;
- dimensioni del soggetto;
- contrasto termico ambientale;
- condizioni meteorologiche;
- capacità dell’utilizzatore.
La distanza dichiarata come “rilevamento” indica generalmente la possibilità di distinguere la presenza di un oggetto caldo, non di riconoscerne con certezza specie, sesso o caratteristiche anatomiche.
Vantaggi del germanio
- elevata trasmissione nelle principali bande dell’infrarosso termico;
- compatibilità con i sensori LWIR utilizzati nei visori da caccia;
- indice di rifrazione elevato;
- possibilità di realizzare ottiche compatte;
- buona lavorabilità con tecnologie di precisione;
- ampia esperienza industriale nella progettazione infrarossa;
- possibilità di produrre lenti asferiche;
- buone proprietà meccaniche per un materiale ottico IR.
Limiti del germanio
- costo elevato della materia prima e della lavorazione;
- peso superiore a quello del vetro comune;
- fragilità e sensibilità agli urti;
- necessità di rivestimenti antiriflesso;
- variazione dell’indice di rifrazione con la temperatura;
- aumento dell’assorbimento alle temperature elevate;
- possibile danneggiamento dei trattamenti superficiali;
- disponibilità legata a una filiera produttiva specializzata.
Considerazioni finali
Il germanio è un elemento fondamentale di molti visori termici perché permette di trasmettere e focalizzare la radiazione infrarossa che il vetro comune assorbirebbe. Il suo aspetto scuro alla luce visibile è perfettamente compatibile con la trasparenza nella banda LWIR utilizzata dai microbolometri.
La qualità dell’immagine non dipende però dalla sola presenza di una lente in germanio. Purezza del materiale, geometria, rivestimento antiriflesso, apertura, sensore ed elaborazione digitale devono essere progettati come un unico sistema.
Nel confronto tra dispositivi non è quindi sufficiente considerare il diametro dell’obiettivo. Un termico efficace nasce dall’equilibrio tra ottica, sensore, sensibilità, campo visivo, ingrandimento e qualità del software.
