Für die industrielle Bildgebung kann ein für sichtbares Licht ausgelegtes Objektiv nicht automatisch die gleiche Leistung im ultravioletten Bereich liefern. Mit abnehmender Wellenlänge können optische Materialien, die im sichtbaren Spektrum gut funktionieren, zu stärkerer Absorption, verringerter Transmission, chromatischen Fehlern und Bildverschlechterung führen. Auch die Oberflächenreflexion wird zu einem größeren Problem, wenn das UV-Signal, das den Sensor erreicht, bereits begrenzt ist.

Aus diesem Grund erfordert die Auswahl des besten UV-Objektivs mehr als nur den Vergleich der Brennweite oder des Objektivpreises. Arbeitswellenlänge, optisches Material, Transmission, numerische Apertur, Sichtfeld, Sensorformat, Arbeitsabstand, Aberrationskorrektur, Beschichtungsdesign und mechanische Stabilität müssen alle gemeinsam berücksichtigt werden. Bei maschinellen Bildverarbeitungs-, Präzisionsmess-, wissenschaftlichen Bildgebungs- und UV-Inspektionssystemen ist das Objektiv Teil der Signalkette – und nicht nur eine mechanische Schnittstelle zwischen der Kamera und dem Objekt.

Was macht eine UV-Linse?

Die Grundfunktion einer UV-Linse besteht darin, ultraviolette Strahlung von einem Objekt oder einer UV-Beleuchtungsquelle zu sammeln, sie durch das optische System zu übertragen und das nutzbare UV-Signal auf den Kamerasensor zu fokussieren. Dies effizient zu erreichen ist jedoch deutlich anspruchsvoller als die Fokussierung von sichtbarem Licht.

Eine UV-Linse muss zunächst Materialien mit ausreichender Transmission im vorgesehenen Wellenlängenbereich verwenden. Beispielsweise wird UV-Fused Silica häufig für UV-Anwendungen verwendet, da es eine nützliche Transmission in den nahen UV- und tieferen UV-Bereichen bietet, während CaF₂ besonders wertvoll ist, wenn die erforderliche Wellenlänge weiter in den tiefen UV-Bereich reicht. Die Materialauswahl steht daher in direktem Zusammenhang mit der Wellenlänge der Anwendung und ist keine generische Spezifikation.

Das Objektiv muss außerdem chromatische und geometrische Aberrationen kontrollieren. UV-Wellenlängen haben ein anderes Brechungsverhalten als sichtbare Wellenlängen, und die Anzahl praktischer Materialien, die für das UV-Optikdesign zur Verfügung stehen, ist begrenzter. Dies macht es schwieriger, die gleiche Kombination aus Korrektur, Blende, Brennweite und spektraler Abdeckung zu erreichen, die mit herkömmlichen optischen Brillen für sichtbares Licht erreicht werden kann. Untersuchungen zu Tief-UV-Objektiven zeigen, dass die Materialdispersion und der wellenlängenabhängige Brechungsindex für die Korrektur chromatischer Aberration von entscheidender Bedeutung sind.

Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Oberflächenbehandlung. Selbst wenn das Schüttgut die erforderliche Wellenlänge durchlässt, kann jede Luft-Glas-Grenzfläche zu Reflexionsverlusten führen. Daher muss rund um das eigentliche Bedienband eine Antireflexionsbeschichtung vorgesehen werden. Bei einer für einen UV-Bereich optimierten Beschichtung sollte nicht automatisch davon ausgegangen werden, dass sie auch in einem anderen Bereich eine gleichwertige Transmission bietet. Beispielsweise können spezielle UV-Optiken mehrschichtige Beschichtungen verwenden, die für definierte Bänder wie 220–450 nm optimiert sind.

Dies ist einer der grundlegenden Unterschiede zwischen einer UV-Linse und einer herkömmlichen Linse für sichtbares Licht: Das optische System muss auf die UV-Wellenlänge ausgelegt sein und nicht einfach in diese hinein erweitert werden.

Was zeichnet die beste UV-Linse für Industriesysteme aus?

1. Die UV-Durchlässigkeit muss mit dem tatsächlichen Arbeitsband übereinstimmen

Die Transmission sollte über den gesamten Betriebswellenlängenbereich und nicht anhand eines einzelnen Spitzentransmissionswerts bewertet werden.

Ein System, das bei etwa 365 nm arbeitet, hat andere Materialanforderungen als eines, das bei 266 nm, 248 nm, 193 nm oder darunter arbeitet. UV-Fused Silica wird häufig für viele UV-Anwendungen verwendet, während CaF₂ für Anwendungen im tiefen UV-Bereich, bei denen herkömmliche Materialien an Transmission verlieren, immer wichtiger wird. Veröffentlichte optische Materialdaten zeigen beispielsweise, dass UV-Fused Silica eine praktische Wahl bis hinunter zu etwa 195 nm ist, während CaF₂ deutlich weiter in den UV-Bereich reicht.

Für die Beschaffung lautet die sinnvollere Frage daher nicht einfach: „Lässt diese Linse UV-Strahlung durch?“ Aber:

Bei welchen Wellenlängen, mit welcher Transmission, über welche optische Weglänge und mit welcher Beschichtung?

2. Die Auflösung muss an den UV-Sensor angepasst sein

Ein Objektiv sollte nicht allein nach der Megapixelzahl der Kamera ausgewählt werden. Die optische Auflösung muss ausreichen, um den für die Anwendung erforderlichen Pixelabstand und die räumlichen Details zu unterstützen.

Beispielsweise kann es sein, dass eine hochauflösende UV-Kamera in Kombination mit einem Objektiv mit übermäßiger sphärischer Aberration, chromatischer Aberration oder Bildfeldkrümmung keine nützlichen zusätzlichen Details liefert. Umgekehrt kann ein optisches Design, das den tatsächlichen Auflösungsbedarf erheblich übertrifft, die Kosten und die Komplexität erhöhen, ohne die endgültige Messung zu verbessern.

Brennweite, F/#, Sensorgröße, Arbeitsabstand und Objektgröße sollten daher als ein optisches System betrachtet werden. Eine kleinere F/# kann das gesammelte Licht erhöhen, was bei schwacher UV-Beleuchtung nützlich sein kann, aber auch die Aberrationskontrolle anspruchsvoller machen kann. Der geeignete Kompromiss hängt von der erforderlichen Schärfentiefe, Auflösung, Beleuchtungsstärke und Messgenauigkeit ab.

3. Sichtfeld und Arbeitsabstand bestimmen die praktische Bildgeometrie

Bei Bildverarbeitungs- und Inspektionsgeräten ist das Sichtfeld oft wichtiger als die Nennbrennweite.

Ein Objektiv mit geeigneter Brennweite muss den benötigten Objektbereich abdecken und dabei über das gesamte Bildfeld hinweg eine ausreichende Auflösung gewährleisten. Der Arbeitsabstand wirkt sich auch auf die mechanische Integration, die Beleuchtungsgeometrie, das Gehäusedesign und die Zugänglichkeit der geprüften Komponente aus.

Für Präzisionsmessungen sind Verzerrung und feldabhängige Auflösung besonders wichtig. Ein Objektiv kann zwar ein optisch scharfes Bild in der Mitte erzeugen, am Rande des Bildfeldes aber dennoch zu unzulässigen Messfehlern führen. Aus diesem Grund sollten Objektivspezifikationen die optischen Anforderungen des gesamten Bereichs berücksichtigen und sich nicht nur auf die Leistung in der Bildmitte verlassen.

UV-optische Materialien und Beschichtungen: Quarzglas vs. CaF₂

UV-Fused Silica ist eine häufige Wahl, wenn eine starke UV-Durchlässigkeit, gute optische Homogenität, geringe Wärmeausdehnung und praktische Herstellbarkeit erforderlich sind. Es wird häufig in UV-Bildgebungs- und optischen Systemen eingesetzt, die bis in den tiefen UV-Bereich reichen.

CaF₂ bietet eine breitere Durchlässigkeit im tiefen UV-Bereich und kann von Vorteil sein, wenn die Betriebswellenlänge weiter nach unten geht. Es wird auch in optischen Designs mit mehreren Materialien verwendet, um die chromatische Aberration zu bewältigen. Allerdings handelt es sich bei CaF₂ um ein kristallines Material, dessen Herstellungs- und Handhabungsaspekte sich von Quarzglas unterscheiden. Sein optisches Verhalten kann auch zu wellenlängen- und anwendungsabhängigen Designüberlegungen führen, insbesondere bei anspruchsvollen Systemen im tiefen UV-Bereich.

Daher sollte die Materialentscheidung auf der tatsächlichen Wellenlänge, der optischen Leistung, den Umgebungsbedingungen, der erforderlichen Auflösung und der Designarchitektur basieren. Es gibt kein einzelnes UV-Material, das automatisch für jede UV-Bildgebungsanwendung die richtige Wahl ist.

Die Auswahl der Beschichtung erfolgt nach dem gleichen Prinzip. Eine UV-AR-Beschichtung sollte rund um das Betriebsband, die Einfallswinkel, das Substratmaterial und die erforderliche Transmission spezifiziert werden. Für Breitbandanwendungen muss die Beschichtungsarchitektur die Übertragung über den gesamten Zielbereich ausgleichen, anstatt nur eine Wellenlänge zu optimieren.

Anpassen des Objektivs an die Kamera und die UV-Lichtquelle

Das UV-Objektiv, der Kamerasensor und die Beleuchtungsquelle sollten als eine einzige Bildgebungskette behandelt werden.

Identifizieren Sie zunächst die Emissions- oder Beleuchtungswellenlänge. Eine 365-nm-LED-Quelle, eine 254-nm-Quelle und ein 193-nm-UV-System stellen sehr unterschiedliche Anforderungen an das Linsenmaterial und die Beschichtung.

Überprüfen Sie als Nächstes die spektrale Reaktion des Kamerasensors. Wenn der Sensor bei der Zielwellenlänge eine begrenzte Empfindlichkeit aufweist, kann eine Erhöhung der Linsentransmission allein das Signalproblem auf Systemebene nicht lösen.

Das Sensorformat und der Pixelabstand bestimmen dann den erforderlichen Bildkreis und die optische Auflösung. Brennweite und Arbeitsabstand legen das Sichtfeld fest, während F/# die Lichtsammlung und die Schärfentiefe beeinflusst. Bei der Schwachsignal-UV-Inspektion kann eine effiziente Photonensammlung besonders wichtig sein, da jeder optische Verlust zwischen Quelle, Objekt, Linse und Sensor das verfügbare Signal verringert.

Für Gerätehersteller sollte zudem frühzeitig die mechanische Kompatibilität geprüft werden. Fassungsabmessungen, Stabilität des Objektivtubus, Wärmeausdehnung, Vibrationsfestigkeit, Fokussierungsmechanismus und Umweltabdichtung können alle die langfristige Kalibrierung und Bildkonsistenz beeinflussen.

Wo UV-Linsen einen praktischen Mehrwert bieten

In der industriellen Bildverarbeitung kann die UV-Bildgebung Oberflächenmerkmale oder Defekte aufdecken, die bei sichtbarer Beleuchtung schwer zu unterscheiden sind. Das Objektiv muss ausreichend Kontrast und räumliche Details bewahren und gleichzeitig das ausgewählte UV-Band durchlassen.

Bei Präzisionsmessungen sind geometrische Verzerrungen, Feldgleichmäßigkeit, chromatische Effekte und Wiederholbarkeit von entscheidender Bedeutung. Ein für die allgemeine UV-Beobachtung ausgewähltes Objektiv ist möglicherweise nicht für Dimensionsmessungen geeignet, da es UV-Licht durchlassen kann.

Bei der Fehlerinspektion kann sich die Priorität auf Signaleffizienz und -auflösung verlagern. Kleine Verunreinigungen, Beschichtungsfehler, Oberflächenunregelmäßigkeiten oder Materialunterschiede können eine Kombination aus geeigneter Wellenlängenauswahl, Beleuchtungsgeometrie und optischer Auflösung erfordern.

Bei wissenschaftlichen Bildgebungs- und Forschungssystemen kann der Wellenlängenbereich enger und das optische Design spezieller sein. Anwendungen im tiefen UV-Bereich können deutlich strengere Anforderungen an die Materialdurchlässigkeit, Oberflächenqualität, Beschichtungsleistung und Aberrationskorrektur stellen. Die optische Forschung hat die Verwendung von Kombinationen wie Quarzglas und CaF₂ zur Kontrolle der chromatischen Aberration in Objektiven im tiefen UV gezeigt.

So wählen Sie die beste UV-Linse aus

Ein praktischer Auswahlprozess für UV-Linsen sollte mit der Anwendung und nicht mit dem Produktkatalog beginnen.

1. Definieren Sie die Wellenlänge: Legen Sie die minimale, maximale und primäre Betriebswellenlänge fest.

2. Überprüfen Sie die Materialübertragung: Stellen Sie sicher, dass das Substrat im gesamten Band eine ausreichende Übertragung bietet.

3. Geben Sie den Sensor an: Berücksichtigen Sie Sensorformat, Pixelgröße, Spektralempfindlichkeit und erforderliche Auflösung.

4. Berechnen Sie Sichtfeld und Arbeitsabstand: Bestimmen Sie die für das Inspektionssystem erforderliche Brennweite und den Bildkreis.

5. Legen Sie die F/#-Anforderung fest: Gleichen Sie Lichtsammlung, Schärfentiefe, Aberrationskontrolle und verfügbare Beleuchtung aus.

6. Bewerten Sie die optische Korrektur: Überprüfen Sie Verzerrung, chromatische Aberration, Bildfeldkrümmung und Auflösung im gesamten Nutzfeld.

7. Überprüfen Sie die AR-Beschichtung: Stellen Sie sicher, dass die Beschichtung für den vorgesehenen UV-Wellenlängenbereich ausgelegt ist.

8. Überprüfen Sie die mechanische Stabilität: Berücksichtigen Sie Vibrationen, Temperaturschwankungen, Montage, Fokussierung und langfristige Dimensionsstabilität.

9. Erwägen Sie eine Anpassung: Wenn Standardobjektive nicht gleichzeitig Wellenlänge, Sichtfeld, Auflösung, Arbeitsabstand und mechanische Anforderungen erfüllen können, ist ein kundenspezifisches optisches Design möglicherweise besser geeignet.

ECOPTIK: Entwicklung kundenspezifischer UV-Linsen für Präzisionsanwendungen

ECOPTIK erforscht seit 15 Jahren Technologie zur Herstellung optischer Komponenten und bietet maßgeschneiderte optische Lösungen für industrielle Bildverarbeitungs- und Präzisionsmesssysteme. Das Portfolio der optischen Fertigung umfasst Kuppellinsen, sphärische Linsen, mikrooptische Komponenten, zylindrische Spiegel, Filter, Prismen, Fenster und Linsenbaugruppen.

Für UV-Anwendungen arbeitet ECOPTIK mit optischen Materialien von Lieferanten wie Schott, CDGM und Corning sowie mit Spezialmaterialien wie UV-Quarzglas, CaF₂, MgF₂, Saphir, Si, ZnSe und ZnS. Die Materialauswahl kann daher auf den erforderlichen Spektralbereich und die optische Architektur abgestimmt werden, anstatt das Substrat als isolierte Komponente zu behandeln.

ECOPTIK bietet auch Linsenmontagedienste an und nutzt Geräte wie ZYGO-Laserinterferometer, ZEISS CMM Spectrum und Agilent Cary 7000 UMS für die optische und dimensionale Bewertung und Produktberichterstattung. Dies unterstützt einen umfassenderen Ansatz bei der Entwicklung von UV-Linsen, bei dem Transmission, optische Leistung, Maßgenauigkeit und mechanische Integration gemeinsam berücksichtigt werden müssen.

Für OEMs und Systemintegratoren ist das beste UV-Objektiv letztendlich dasjenige, dessen optisches Design der tatsächlichen Wellenlänge, dem Sensor, dem Sichtfeld, dem Arbeitsabstand, der Auflösung, der Beleuchtung und den Umgebungsanforderungen entspricht. Eine gut konzipierte UV-Linse überträgt nicht nur ultraviolettes Licht: Sie bewahrt das nutzbare optische Signal und wandelt es in messbare Bildinformationen mit der für das gesamte Bildgebungssystem erforderlichen Konsistenz um.