Стандартная линза видимого света автоматически не подходит для получения коротковолновых инфракрасных изображений. Поскольку рабочая длина волны выходит за пределы видимого диапазона, оптическое пропускание, дисперсия, хроматический сдвиг фокуса, коррекция аберраций, характеристики покрытия и согласование детектора — все это становится важным фактором при проектировании. Объектив, оптимизированный для видимых длин волн, может плохо передавать свет в целевом диапазоне SWIR или создавать другое положение фокуса и снижать качество изображения.

Поэтому для промышленного контроля, создания научных изображений и мониторинга безопасности объектив SWIR должен быть спроектирован с учетом требуемого спектрального диапазона и детектора, а не выбираться только по фокусному расстоянию. Выбор материалов линз SWIR , оптической конфигурации, противоотражающего покрытия и механического интерфейса может напрямую влиять на контрастность изображения, разрешение, размер системы и стоимость. Эти факторы также объясняют, почему цена линз SWIR может значительно различаться между, казалось бы, похожими продуктами.

Как следует выбирать материалы линз SWIR?

Материалы линз SWIR следует выбирать в соответствии с фактическим рабочим диапазоном, оптическими рецептами, условиями окружающей среды и производственными требованиями. Не существует единого материала, оптимального для каждой системы SWIR.

Для камер, использующих обычные детекторы InGaAs в диапазоне 900–1700 нм, в зависимости от конструкции можно рассмотреть использование плавленого кварца, сапфира, выбранных оптических стекол и других материалов, совместимых с ближним инфракрасным диапазоном. Плавленый кварц эффективен, когда важны низкое тепловое расширение и широкая передача. Его относительно низкий коэффициент теплового расширения может помочь сохранить оптическую стабильность при изменении температуры.

Сапфир обеспечивает высокую твердость и механическую прочность, что делает его полезным там, где защитный оптический элемент должен выдерживать суровые условия окружающей среды. Однако сапфир обладает двойным лучепреломлением, поэтому при проектировании системы необходимо учитывать его оптическое поведение и ориентацию кристалла.

CaF₂ становится особенно полезным, когда требуемый спектральный диапазон простирается дальше в инфракрасную область. Он обеспечивает широкое пропускание и низкий показатель преломления, но его относительно мягкая поверхность и чувствительность к тепловому удару означают, что механическое обращение, покрытие и защита окружающей среды требуют внимания.

Для более длинных диапазонов SWIR, приближающихся к 2,5 мкм, в обсуждение конструкции могут быть включены такие материалы, как ZnSe, ZnS, кремний и специализированные ИК-материалы. Их более высокие показатели преломления могут обеспечить высокую оптическую мощность в компактных конструкциях, но это также меняет поверхностные отражения, коррекцию аберраций, требования к покрытию и механические соображения.

Поэтому выбор материала следует начинать с требования к длине волны. В линзах с длиной волны 900–1700 нм и линзах с длиной волны 1000–2500 нм не следует просто использовать один и тот же набор материалов с разным покрытием. Расширение спектрального диапазона меняет требования к передаче, баланс дисперсии, конструкцию покрытия, совместимость детекторов и часто количество и тип требуемых оптических элементов.

Оптическая конструкция должна соответствовать детектору SWIR

Выбор материала — это только одна часть конструкции линз SWIR. Оптический рецепт должен соответствовать детектору и геометрии изображения.

Фокусное расстояние определяет соотношение между полем зрения и рабочим расстоянием. Более длинное фокусное расстояние может обеспечить более узкое поле зрения и большее угловое увеличение, тогда как более короткое фокусное расстояние обычно более подходит, когда необходимо охватить более широкую сцену.

F/# влияет на сбор света, глубину резкости, дифракцию и размер системы. Более низкое значение F/# может обеспечить большую оптическую пропускную способность, что может быть полезно при ограниченном освещении SWIR. Однако разработка светосильного объектива также увеличивает сложность контроля аберраций и поддержания качества изображения по всему полю.

Размер сенсора и шаг пикселя одинаково важны. Оптическая схема, предназначенная для небольшого датчика InGaAs, не должна просто переноситься на детектор большего размера без проверки окружности изображения, кривизны поля, искажений и разрешения. Если линза не закрывает детектор должным образом, система может потерять полезную область изображения или ухудшить качество изображения по краям.

Рабочее расстояние является еще одним практическим ограничением. В промышленном машинном зрении линзе может потребоваться поддерживать определенное поле зрения, оставляя при этом достаточно места для освещения, конвейеров, робототехники или другого оборудования. Вместо этого научные инструменты могут отдавать приоритет спектральному охвату и разрешению, в то время как системам безопасности может потребоваться большее рабочее расстояние и более узкое поле зрения.

Хроматическая аберрация также заслуживает внимания в широкополосных системах SWIR. Когда линза охватывает относительно широкий диапазон длин волн, волны разной длины могут фокусироваться в разных положениях. Поэтому разработчикам оптики необходимо сбалансировать дисперсию материала и геометрию линзы, чтобы контролировать хроматический сдвиг фокуса.

AR-покрытие — это часть оптической конструкции, а не второстепенная мысль. Любой интерфейс воздух-стекло может вносить потери на отражение. Покрытие, разработанное для 900–1700 нм, не должно автоматически обеспечивать эквивалентные характеристики в расширенном диапазоне 1000–2500 нм. Спецификация покрытия должна соответствовать фактическому рабочему диапазону, углу падения, материалам подложки и требованиям к характеристикам линзы.

Промышленный контроль, исследования и безопасность требуют разных конструкций SWIR

При промышленном контроле SWIR-изображение может выявить различия в материалах или состоянии поверхности, которые трудно различить в видимых длинах волн. Приложения могут включать сортировку, проверку полупроводников, анализ солнечных элементов, проверку на влажность и мониторинг процессов. Эти системы часто требуют тщательно контролируемого рабочего расстояния, определенного поля зрения, низкого искажения и достаточного разрешения по всей площади детектора.

При научной визуализации можно уделять больше внимания спектральной ширине полосы пропускания, оптической пропускной способности, стабильности фокуса и совместимости со специализированными инструментами. Если линза используется для спектроскопии или исследовательской визуализации, передача материала во всем целевом диапазоне длин волн может быть более важной, чем просто максимизация разрешения видимого типа.

Мониторинг безопасности предъявляет еще один набор требований. Большие рабочие расстояния, компактные оптические конструкции, устойчивость к окружающей среде и достаточная передача в рабочем диапазоне детектора могут стать ключевыми критериями выбора. Линза для этого применения может потребовать другого баланса между F/#, фокусным расстоянием, спектральным диапазоном, механической защитой и стоимостью, чем линза для лабораторной визуализации.

Вот почему при запросе предложения недостаточно указать только «линзу SWIR». Прежде чем определить подходящую оптическую конфигурацию, производителю обычно нужны формат детектора, размер пикселя, целевой диапазон длин волн, фокусное расстояние или требуемое поле зрения, рабочее расстояние, F/#, механический интерфейс, условия окружающей среды и требования к качеству изображения.

Что определяет цену линз SWIR?

На цену линз SWIR сильно влияют оптические характеристики, а не только диаметр линзы.

Рабочий диапазон длин волн является одним из первых факторов. Линза, охватывающая относительно узкий диапазон 900–1700 нм, может иметь другие требования к материалам и покрытиям, чем широкополосная конструкция, простирающаяся до 2500 нм.

Оптические материалы также влияют на стоимость. Доступность материала, размер подложки, оптическая однородность, требования к полировке, твердость, сложность обработки и требования к передаче — все это влияет на производственные затраты. Материал, выбранный с учетом его показателя преломления или термических свойств, может потребовать более сложного производственного процесса, чем обычное оптическое стекло.

Количество элементов является еще одним прямым фактором. Большее количество элементов может обеспечить дополнительные степени свободы для управления аберрациями, искажениями, хроматическими эффектами и полевыми характеристиками, но каждая дополнительная поверхность добавляет требования к материалу, полировке, покрытию, выравниванию и проверке.

Сам оптический рецепт может существенно повлиять на цену. Конструкция с высокой светосилой, большой диафрагмой, необычным фокусным расстоянием, несферическими поверхностями, жесткими допусками центрирования и высокими требованиями к качеству изображения обычно требует более сложного изготовления и тестирования.

AR-покрытие также следует оценивать по требуемому спектральному диапазону, а не рассматривать как стандартный аксессуар. Широкополосные или специализированные покрытия могут потребовать более сложных процессов нанесения покрытия и проверки характеристик.

Механические требования также имеют значение. Изготовленные на заказ крепления, интерфейсы детекторов, размеры фланцев, механизмы фокусировки, защита от воздействия окружающей среды и допуски на размеры — все это может увеличить затраты на проектирование и производство.

Наконец, объем настройки влияет на предложение. Прототип или индивидуальный объектив небольшого объема может потребовать значительных затрат на оптическое проектирование, оснастку, настройку и тестирование на единицу. Более высокие объемы производства могут распределить эти единовременные инженерные затраты на большее количество единиц.

Поэтому для отделов закупок значимый вопрос заключается не просто в том, стоит ли одна линза SWIR дороже другой. Лучший подход — сравнить охват длины волны, выбор материала, F/#, формат детектора, качество изображения, характеристики покрытия, механическую конфигурацию, требования к проверке и возможности настройки вместе с заявленной ценой.

Оценка производителя объектива SWIR

Опытный производитель линз SWIR должен быть в состоянии соединить всю цепочку от оптических требований до проверенных характеристик. Это включает в себя выбор материалов в зависимости от длины волны, разработку оптического рецепта для детектора, контроль производственных допусков, нанесение подходящих противоотражающих покрытий, выполнение точной сборки и проверку готовой линзы.

ECOPTIK уже 15 лет исследует технологии изготовления оптических компонентов и предоставляет услуги по индивидуальной сборке оптических компонентов и линз. Его материальные возможности включают стекло от Schott, CDGM и Corning, а также сапфир, CaF₂, MgF₂, плавленый кварц, Si, ZnSe и ZnS. Этот диапазон материалов позволяет разработчикам оптических систем оценивать свойства подложки с учетом фактической длины волны SWIR и системных требований, а не заставлять каждую конструкцию использовать одну и ту же платформу из материалов.

Для проверки качества ECOPTIK использует лазерные интерферометры ZYGO, ZEISS CMM Spectrum и Agilent Cary 7000 UMS для тестирования и составления отчетов о продукции. Эти возможности поддерживают размерную, оптическую и спектральную проверку во время индивидуального оптического производства.

Поэтому для производителей SWIR-камер, компаний, занимающихся машинным зрением, производителей оборудования для промышленного контроля, исследовательских институтов и интеграторов систем инфракрасной визуализации наиболее полезное обсуждение поставщиков должно начинаться с требований к изображению, а не с модели каталога. Определив сначала целевую длину волны, детектор, фокусное расстояние, F/#, поле зрения, рабочее расстояние, условия окружающей среды и требуемое качество изображения, производитель может определить подходящие материалы, оптическую структуру, покрытие, производственные допуски и требования к испытаниям, а также указать цену линзы SWIR, которую можно оценить в сравнении с фактическим объемом работ.