Для промышленной визуализации объектив, предназначенный для видимого света, не может автоматически обеспечивать такие же характеристики в ультрафиолетовом диапазоне. По мере уменьшения длины волны оптические материалы, которые хорошо работают в видимом спектре, могут привести к более сильному поглощению, снижению пропускания, хроматическим ошибкам и ухудшению изображения. Отражение от поверхности также становится более серьезной проблемой, когда УФ-сигнал, достигающий датчика, уже ограничен.

Вот почему выбор лучшей УФ-линзы требует большего, чем просто сравнение фокусного расстояния или цены на линзу. Рабочая длина волны, оптический материал, пропускание, числовая апертура, поле зрения, формат датчика, рабочее расстояние, коррекция аберраций, конструкция покрытия и механическая стабильность — все это необходимо учитывать вместе. В системах машинного зрения, точных измерений, научных изображений и УФ-контроля объектив является частью сигнальной цепи, а не просто механическим интерфейсом между камерой и объектом.

Что делает УФ-линза?

Основная функция УФ-линзы — собирать ультрафиолетовое излучение от объекта или источника УФ-освещения, передавать его через оптическую систему и фокусировать полезный УФ-сигнал на датчике камеры. Однако эффективное достижение этой цели значительно сложнее, чем фокусировка видимого света.

УФ-линза должна сначала использовать материалы с адекватным пропусканием света в предполагаемом диапазоне длин волн. Например, УФ-плавленный кремнезем широко используется для УФ-приложений, поскольку он обеспечивает полезную передачу в ближнюю УФ-область и более глубокие УФ-области, в то время как CaF₂ особенно ценен, когда требуемая длина волны простирается дальше в глубокий УФ-диапазон. Таким образом, выбор материала напрямую зависит от длины волны применения, а не является общей спецификацией.

Объектив также должен контролировать хроматические и геометрические аберрации. Длины волн УФ имеют преломляющее поведение, отличное от видимых длин волн, а количество практических материалов, доступных для конструкции УФ-оптики, более ограничено. Это затрудняет получение той же комбинации коррекции, диафрагмы, фокусного расстояния и спектрального охвата, которая может быть достигнута с помощью обычных оптических очков видимого света. Исследования объективов глубокого УФ-диапазона показывают, что дисперсия материала и зависящий от длины волны показатель преломления имеют решающее значение при коррекции хроматической аберрации.

Обработка поверхности – еще один важный фактор. Даже когда объемный материал пропускает необходимую длину волны, каждая граница раздела воздух-стекло может вносить потери на отражение. Поэтому вокруг фактического рабочего диапазона необходимо создать просветляющее покрытие. Покрытие, оптимизированное для одного УФ-диапазона, не должно автоматически обеспечивать эквивалентное пропускание в другом диапазоне. Например, в специализированной УФ-оптике могут использоваться многослойные покрытия, оптимизированные для определенных диапазонов, таких как 220–450 нм.

Это одно из фундаментальных отличий между УФ-линзой и обычной линзой видимого света: оптическая система должна быть спроектирована с учетом длины волны УФ-излучения, а не просто расширена до нее.

Что делает УФ-линзу лучшей для промышленных систем?

1. УФ-передача должна соответствовать фактическому рабочему диапазону.

Передачу следует оценивать по всему рабочему диапазону длин волн, а не по одному пиковому значению передачи.

Система, работающая на длине волны 365 нм, предъявляет другие требования к материалам, чем система, работающая на длинах волн 266, 248, 193 нм или ниже. УФ-плавленный кремнезем обычно используется во многих УФ-приложениях, в то время как CaF₂ становится все более важным для глубокого УФ-приложения, где обычные материалы теряют пропускание. Опубликованные данные по оптическим материалам, например, показывают, что УФ-плавленный кремнезем является практическим выбором примерно до 195 нм, в то время как CaF₂ распространяется значительно дальше в УФ-диапазон.

Поэтому для закупок более полезным вопросом будет не просто «Пропускает ли эта линза УФ?» но:

На каких длинах волн, с каким пропусканием, какой длиной оптического пути и с каким покрытием?

2. Разрешение должно соответствовать УФ-датчику.

Объектив не следует выбирать исключительно по количеству мегапикселей камеры. Оптическое разрешение должно быть достаточным для поддержки шага пикселей и пространственной детализации, требуемых приложением.

Например, УФ-камера высокого разрешения в сочетании с объективом, имеющим чрезмерную сферическую аберрацию, хроматическую аберрацию или кривизну поля, может не передать полезных дополнительных деталей. И наоборот, оптическая конструкция, значительно превышающая фактические требования к разрешению, может увеличить стоимость и сложность без улучшения конечных результатов измерения.

Поэтому фокусное расстояние, F/#, размер сенсора, рабочее расстояние и размер объекта следует рассматривать как одну оптическую систему. Меньшее значение F/# может увеличить собираемый свет, что может быть полезно при слабом УФ-освещении, но также может усложнить контроль аберраций. Соответствующий компромисс зависит от требуемой глубины резкости, разрешения, уровня освещенности и точности измерений.

3. Угол обзора и рабочее расстояние определяют практическую геометрию изображения.

Для машинного зрения и инспекционного оборудования поле зрения часто важнее номинального фокусного расстояния.

Объектив с соответствующим фокусным расстоянием должен охватывать необходимую площадь объекта, сохраняя при этом достаточное разрешение по всему полю изображения. Рабочее расстояние также влияет на механическую интеграцию, геометрию освещения, конструкцию корпуса и доступность проверяемого компонента.

Для точных измерений особенно важны искажения и разрешение, зависящее от поля. Объектив может создавать визуально четкое центральное изображение, но при этом вносить неприемлемые ошибки измерения вблизи края поля зрения. Вот почему характеристики объектива должны включать оптические требования всей области съемки, а не полагаться только на характеристики центра изображения.

УФ-оптические материалы и покрытия: плавленый кварц против CaF₂

УФ-плавленный кремнезем является распространенным выбором там, где требуется сильное пропускание УФ-излучения, хорошая оптическая однородность, низкое тепловое расширение и практичность в производстве. Он широко используется в УФ-изображениях и оптических системах, простирающихся до глубокого УФ-диапазона.

CaF₂ обеспечивает более широкое пропускание глубокого УФ-излучения и может стать преимуществом по мере дальнейшего уменьшения рабочей длины волны. Он также используется в оптических конструкциях из нескольких материалов, чтобы помочь справиться с хроматической аберрацией. Однако CaF₂ представляет собой кристаллический материал, требования к производству и обращению с которым отличаются от плавленого кварца. Его оптическое поведение также может учитывать особенности конструкции, зависящие от длины волны и области применения, особенно в требовательных системах глубокого УФ-излучения.

Следовательно, решение о материале должно основываться на фактической длине волны, оптической мощности, условиях окружающей среды, требуемом разрешении и архитектуре конструкции. Не существует единого УФ-материала, который автоматически был бы правильным выбором для любого применения УФ-изображения.

Выбор покрытия происходит по тому же принципу. УФ-просветляющее покрытие должно быть указано вокруг рабочего диапазона, углов падения, материала подложки и требуемого пропускания. Для широкополосных приложений архитектура покрытия должна сбалансировать передачу во всем целевом диапазоне, а не оптимизировать только одну длину волны.

Подбор объектива к камере и источнику ультрафиолетового света

УФ-объектив, датчик камеры и источник освещения следует рассматривать как единую цепочку формирования изображения.

Сначала определите длину волны излучения или освещения. Светодиодный источник с длиной волны 365 нм, источник с длиной волны 254 нм и УФ-система с длиной волны 193 нм предъявляют совершенно разные требования к материалу и покрытию линз.

Затем проверьте спектральную характеристику датчика камеры. Если датчик имеет ограниченную чувствительность на целевой длине волны, одно только увеличение пропускания линзы не может решить проблему сигнала на уровне системы.

Формат датчика и шаг пикселя затем определяют требуемый круг изображения и оптическое разрешение. Фокусное расстояние и рабочее расстояние определяют поле зрения, а F/# влияет на светосилу и глубину резкости. При низкосигнальном УФ-контроле эффективный сбор фотонов может быть особенно важен, поскольку каждая оптическая потеря между источником, объектом, линзой и датчиком снижает доступный сигнал.

Производителям оборудования также следует заранее проверить механическую совместимость. Размеры крепления, стабильность корпуса объектива, тепловое расширение, вибростойкость, механизм фокусировки и защита от воздействия окружающей среды — все это может повлиять на долгосрочную калибровку и стабильность изображения.

Где УФ-линзы приносят практическую пользу

В промышленном зрении УФ-изображение может выявить характеристики поверхности или дефекты, которые трудно различить при видимом освещении. Объектив должен сохранять достаточный контраст и пространственную детализацию при передаче выбранного УФ-диапазона.

При точных измерениях критически важными становятся геометрические искажения, однородность поля, хроматические эффекты и повторяемость. Линза, выбранная для общего наблюдения в УФ-излучении, может не подходить для измерения размеров просто потому, что она пропускает УФ-свет.

При проверке дефектов приоритет может сместиться в сторону эффективности и разрешения сигнала. Небольшие загрязнения, дефекты покрытия, неровности поверхности или различия в материалах могут потребовать сочетания соответствующего выбора длины волны, геометрии освещения и оптического разрешения.

Для систем научной визуализации и исследований диапазон длин волн может быть уже, а оптическая конструкция — более специализированной. Применение глубокого УФ-излучения может предъявлять значительно более жесткие требования к передаче материала, качеству поверхности, характеристикам покрытия и коррекции аберраций. Оптические исследования продемонстрировали использование таких комбинаций, как плавленый кварц и CaF₂, для контроля хроматической аберрации в объективах глубокого УФ-излучения.

Как выбрать лучшую УФ-линзу

Практический процесс выбора УФ-линз должен начинаться с применения, а не с каталога продукции.

1. Определите длину волны: установите минимальную, максимальную и основную рабочую длину волны.

2. Проверьте передачу материала: убедитесь, что подложка обеспечивает достаточную передачу по всей фактической полосе.

3. Укажите датчик. Учитывайте формат датчика, размер пикселя, спектральную характеристику и необходимое разрешение.

4. Рассчитайте поле зрения и рабочее расстояние: определите фокусное расстояние и круг изображения, необходимые системе контроля.

5. Установите требование F/#: баланс света, глубина резкости, контроль аберраций и доступное освещение.

6. Оценка оптической коррекции: просмотр искажений, хроматических аберраций, кривизны поля и разрешения в полезном поле.

7. Проверьте антипросветляющее покрытие: убедитесь, что покрытие рассчитано на предполагаемый диапазон длин волн УФ-излучения.

8. Проверьте механическую стабильность. Учитывайте вибрацию, изменение температуры, монтаж, фокусировку и долговременную стабильность размеров.

9. Рассмотрите возможность индивидуальной настройки: если стандартные линзы не могут одновременно соответствовать длине волны, углу обзора, разрешению, рабочему расстоянию и механическим требованиям, более подходящей может оказаться специальная оптическая конструкция.

ECOPTIK: Разработка индивидуальных УФ-линз для прецизионных применений

ECOPTIK уже 15 лет исследует технологии изготовления оптических компонентов и предлагает индивидуальные оптические решения для систем промышленного зрения и точных измерений. В портфолио оптического производства компании входят купольные линзы, сферические линзы, микрооптические компоненты, цилиндрические зеркала, фильтры, призмы, окна и сборки линз.

Для УФ-приложений ECOPTIK работает с оптическими материалами от таких поставщиков, как Schott, CDGM и Corning, а также со специализированными материалами, такими как кремнезем, плавленый под действием УФ-излучения, CaF₂, MgF₂, сапфир, Si, ZnSe и ZnS. Таким образом, выбор материала можно согласовать с требуемым спектральным диапазоном и оптической архитектурой, а не рассматривать подложку как изолированный компонент.

ECOPTIK также предоставляет услуги по сборке линз и использует оборудование, включая лазерные интерферометры ZYGO, ZEISS CMM Spectrum и Agilent Cary 7000 UMS, для оптической и размерной оценки и составления отчетов о продукции. Это поддерживает более комплексный подход к разработке УФ-линз, при котором пропускание, оптические характеристики, точность размеров и механическая интеграция должны рассматриваться вместе.

Для OEM-производителей и системных интеграторов лучшей УФ-линзой в конечном итоге является та, оптическая конструкция которой соответствует фактической длине волны, датчику, полю зрения, рабочему расстоянию, разрешению, освещению и требованиям окружающей среды. Хорошо спроектированная УФ-линза делает больше, чем просто передает ультрафиолетовый свет: она сохраняет полезный оптический сигнал и преобразует его в измеримую информацию об изображении с согласованностью, необходимой для всей системы визуализации.