Ein Standardobjektiv für sichtbares Licht ist nicht automatisch für die Kurzwellen-Infrarot-Bildgebung geeignet. Wenn die Betriebswellenlänge über den sichtbaren Bereich hinausgeht, werden optische Transmission, Dispersion, chromatische Fokusverschiebung, Aberrationskorrektur, Beschichtungsleistung und Detektoranpassung zu Designüberlegungen. Ein für sichtbare Wellenlängen optimiertes Objektiv kann im Ziel-SWIR-Band schlecht durchlassen oder eine andere Fokusposition und eine verringerte Bildqualität erzeugen.

Für industrielle Inspektionen, wissenschaftliche Bildgebung und Sicherheitsüberwachung muss ein SWIR-Objektiv daher entsprechend dem erforderlichen Spektralbereich und Detektor konzipiert werden und nicht nur anhand der Brennweite ausgewählt werden. Die Wahl der SWIR- Linsenmaterialien, der optischen Konfiguration, der AR-Beschichtung und der mechanischen Schnittstelle kann sich direkt auf Bildkontrast, Auflösung, Systemgröße und Kosten auswirken. Diese Faktoren erklären auch, warum der Preis von SWIR-Objektiven zwischen scheinbar ähnlichen Produkten erheblich variieren kann.

Wie sollten SWIR-Linsenmaterialien ausgewählt werden?

SWIR-Linsenmaterialien sollten entsprechend dem tatsächlichen Betriebsbereich, der optischen Verordnung, den Umgebungsbedingungen und den Herstellungsanforderungen ausgewählt werden. Es gibt kein einzelnes Material, das für jedes SWIR-System optimal ist.

Für Kameras, die herkömmliche InGaAs-Detektoren im Bereich von 900–1700 nm verwenden, können je nach Design Quarzglas, Saphir, ausgewählte optische Gläser und andere Nahinfrarot-kompatible Materialien in Betracht gezogen werden. Quarzglas ist attraktiv, wenn eine geringe Wärmeausdehnung und eine breite Transmission wichtig sind. Sein relativ niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient kann dazu beitragen, die optische Stabilität bei Temperaturänderungen aufrechtzuerhalten.

Saphir bietet eine hohe Härte und mechanische Haltbarkeit und eignet sich daher dort, wo ein optisches Schutzelement anspruchsvollen Umgebungen standhalten muss. Da Saphir jedoch doppelbrechend ist, müssen sein optisches Verhalten und seine Kristallorientierung bei der Systemkonstruktion berücksichtigt werden.

CaF₂ wird besonders nützlich, wenn der erforderliche Spektralbereich weiter in den Infrarotbereich reicht. Es bietet eine breite Transmission und einen niedrigen Brechungsindex, aber aufgrund seiner relativ weichen Oberfläche und Empfindlichkeit gegenüber Thermoschocks erfordern mechanische Handhabung, Beschichtung und Umweltschutz besondere Aufmerksamkeit.

Für längere SWIR-Bereiche, die sich 2,5 μm nähern, können Materialien wie ZnSe, ZnS, Silizium und spezielle IR-Materialien in die Designdiskussion einbezogen werden. Ihre höheren Brechungsindizes können eine starke optische Leistung in kompakten Designs bieten, aber dadurch ändern sich auch Oberflächenreflexionen, Aberrationskorrektur, Beschichtungsanforderungen und mechanische Überlegungen.

Die Materialauswahl sollte daher mit der Wellenlängenanforderung beginnen. Ein 900–1700-nm-Objektiv und ein 1000–2500-nm-Objektiv sollten nicht einfach denselben Materialsatz mit einer anderen Beschichtung verwenden. Durch die Erweiterung des Spektralbereichs ändern sich die Übertragungsanforderungen, das Dispersionsgleichgewicht, das Beschichtungsdesign, die Detektorkompatibilität und häufig auch die Anzahl und Art der erforderlichen optischen Elemente.

Das optische Design muss zum SWIR-Detektor passen

Die Materialauswahl ist nur ein Teil des SWIR-Linsendesigns. Die optische Verordnung muss auf den Detektor und die Abbildungsgeometrie abgestimmt sein.

Die Brennweite bestimmt das Verhältnis zwischen Sichtfeld und Arbeitsabstand. Eine längere Brennweite kann ein engeres Sichtfeld und eine größere Winkelvergrößerung ermöglichen, während eine kürzere Brennweite im Allgemeinen besser geeignet ist, wenn ein breiteres Motiv abgedeckt werden muss.

F/# beeinflusst die Lichtsammlung, die Schärfentiefe, die Beugung und die Systemgröße. Eine niedrigere F/# kann einen höheren optischen Durchsatz bieten, was bei begrenzter SWIR-Beleuchtung wertvoll sein kann. Die Entwicklung eines lichtstarken Objektivs erhöht jedoch auch die Schwierigkeit, Aberrationen zu kontrollieren und die Bildqualität im gesamten Feld aufrechtzuerhalten.

Sensorgröße und Pixelabstand sind gleichermaßen wichtig. Ein optisches Design, das für einen kleinen InGaAs-Sensor gedacht ist, sollte nicht einfach auf einen größeren Detektor übertragen werden, ohne Bildkreis, Feldkrümmung, Verzerrung und Auflösung zu überprüfen. Wenn die Linse den Detektor nicht richtig abdeckt, kann es sein, dass das System nutzbaren Bildbereich verliert oder an den Rändern eine Leistungseinbuße aufweist.

Der Arbeitsabstand ist eine weitere praktische Einschränkung. In der industriellen Bildverarbeitung muss das Objektiv möglicherweise ein definiertes Sichtfeld aufrechterhalten und gleichzeitig ausreichend Platz für Beleuchtung, Förderbänder, Robotik oder andere Geräte lassen. Wissenschaftliche Instrumente priorisieren möglicherweise stattdessen die spektrale Abdeckung und Auflösung, während Sicherheitssysteme möglicherweise einen längeren Arbeitsabstand und ein engeres Sichtfeld erfordern.

Auch bei Breitband-SWIR-Systemen verdient die chromatische Aberration Beachtung. Wenn eine Linse einen relativ großen Wellenlängenbereich abdeckt, können unterschiedliche Wellenlängen an unterschiedlichen Positionen fokussieren. Optikdesigner müssen daher Materialdispersion und Linsengeometrie ausbalancieren, um die chromatische Fokusverschiebung zu steuern.

Die AR-Beschichtung ist eher Teil des optischen Designs als ein nachträglicher Einfall. Jede Luft-Glas-Grenzfläche kann zu Reflexionsverlusten führen. Bei einer für 900–1700 nm ausgelegten Beschichtung sollte nicht automatisch davon ausgegangen werden, dass sie über einen erweiterten Bereich von 1000–2500 nm eine gleichwertige Leistung bietet. Die Beschichtungsspezifikation sollte dem tatsächlichen Betriebsbereich, dem Einfallswinkel, den Substratmaterialien und den Leistungsanforderungen der Linse entsprechen.

Industrielle Inspektion, Forschung und Sicherheit erfordern unterschiedliche SWIR-Designs

Bei der industriellen Inspektion kann die SWIR-Bildgebung Unterschiede in Materialien oder Oberflächenzuständen aufdecken, die im sichtbaren Wellenlängenbereich schwer zu unterscheiden sind. Zu den Anwendungen können Sortierung, Halbleiterinspektion, Solarzellenanalyse, feuchtigkeitsbezogene Inspektion und Prozessüberwachung gehören. Diese Systeme erfordern häufig einen sorgfältig kontrollierten Arbeitsabstand, ein definiertes Sichtfeld, geringe Verzerrung und eine ausreichende Auflösung über den gesamten Detektorbereich.

Bei der wissenschaftlichen Bildgebung kann der Schwerpunkt stärker auf spektrale Bandbreite, optischen Durchsatz, Fokusstabilität und Kompatibilität mit Spezialinstrumenten gelegt werden. Wenn das Objektiv für Spektroskopie oder Forschungsbildgebung verwendet wird, kann die Materialdurchlässigkeit über den gesamten Zielwellenlängenbereich wichtiger sein als nur die Maximierung der Auflösung im sichtbaren Bereich.

Durch die Sicherheitsüberwachung werden weitere Anforderungen eingeführt. Große Arbeitsabstände, kompakte optische Strukturen, Umgebungsstabilität und ausreichende Transmission im Betriebsband des Detektors können wichtige Auswahlkriterien sein. Ein Objektiv für diese Anwendung erfordert möglicherweise ein anderes Gleichgewicht zwischen F/#, Brennweite, Spektralbereich, mechanischem Schutz und Kosten als ein Laborobjektiv.

Aus diesem Grund reicht es nicht aus, bei der Angebotsanfrage nur „SWIR-Objektiv“ anzugeben. Normalerweise benötigt ein Hersteller das Detektorformat, die Pixelgröße, den Zielwellenlängenbereich, die Brennweite oder das erforderliche Sichtfeld, den Arbeitsabstand, F/#, die mechanische Schnittstelle, die Umgebungsbedingungen und die Anforderungen an die Bildqualität, bevor eine geeignete optische Konfiguration bestimmt werden kann.

Was bestimmt den Preis von SWIR-Objektiven?

Der Preis von SWIR-Objektiven wird stark von der optischen Spezifikation und nicht nur vom Linsendurchmesser beeinflusst.

Der Arbeitswellenlängenbereich ist einer der ersten Faktoren. Eine Linse, die ein relativ schmales 900–1700-nm-Band abdeckt, kann andere Material- und Beschichtungsanforderungen haben als ein Breitbanddesign, das sich bis 2500 nm erstreckt.

Auch optische Materialien wirken sich auf die Kosten aus. Materialverfügbarkeit, Substratgröße, optische Homogenität, Polieranforderungen, Härte, Handhabungsschwierigkeiten und Übertragungsanforderungen beeinflussen alle die Herstellungskosten. Ein Material, das aufgrund seines Brechungsindex oder seines thermischen Verhaltens ausgewählt wird, erfordert möglicherweise einen komplexeren Herstellungsprozess als ein herkömmliches optisches Glas.

Die Anzahl der Elemente ist ein weiterer direkter Faktor. Mehr Elemente können zusätzliche Freiheitsgrade für die Kontrolle von Aberrationen, Verzerrungen, chromatischen Effekten und Feldleistung bieten, aber jede zusätzliche Oberfläche erhöht die Anforderungen an Material, Polierung, Beschichtung, Ausrichtung und Inspektion.

Die optische Sehstärke selbst kann einen erheblichen Einfluss auf den Preis haben. Schnelle F/#-Designs, große Blendenöffnungen, ungewöhnliche Brennweiten, nicht sphärische Oberflächen, enge Zentriertoleranzen und anspruchsvolle Bildqualitätsspezifikationen erfordern im Allgemeinen eine aufwändigere Fertigung und Prüfung.

Die AR-Beschichtung sollte auch anhand des erforderlichen Spektralbandes bewertet werden und nicht als Standardzubehör betrachtet werden. Breitband- oder Spezialbeschichtungen erfordern möglicherweise anspruchsvollere Beschichtungsprozesse und Leistungsüberprüfungen.

Auch mechanische Anforderungen spielen eine Rolle. Benutzerdefinierte Halterungen, Detektorschnittstellen, Flanschabmessungen, Fokusmechanismen, Umgebungsabdichtung und Maßtoleranzen können alle die Konstruktions- und Herstellungskosten erhöhen.

Schließlich wirkt sich der Anpassungsumfang auf das Angebot aus. Ein Prototyp oder eine kundenspezifische Linse in geringer Stückzahl kann mit erheblichen optischen Design-, Werkzeug-, Einrichtungs- und Testkosten pro Einheit verbunden sein. Höhere Produktionsmengen können diese einmaligen Engineeringkosten auf mehr Einheiten verteilen.

Für Beschaffungsteams stellt sich daher nicht nur die Frage, ob ein SWIR-Objektiv mehr kostet als ein anderes. Der bessere Ansatz besteht darin, Wellenlängenabdeckung, Materialauswahl, F/#, Detektorformat, Bildqualität, Beschichtungsspezifikation, mechanische Konfiguration, Inspektionsanforderungen und Anpassungsumfang neben dem angegebenen Preis zu vergleichen.

Bewertung eines SWIR-Linsenherstellers

Ein kompetenter Hersteller von SWIR-Objektiven sollte in der Lage sein, die gesamte Kette von den optischen Anforderungen bis zur verifizierten Leistung abzudecken. Dazu gehört die Auswahl von Materialien entsprechend der Wellenlänge, die Entwicklung einer optischen Vorschrift rund um den Detektor, die Kontrolle von Fertigungstoleranzen, das Aufbringen geeigneter AR-Beschichtungen, die Fertigstellung der Präzisionsmontage und die Validierung der fertigen Linse.

ECOPTIK erforscht seit 15 Jahren Technologie zur Herstellung optischer Komponenten und bietet maßgeschneiderte optische Komponenten und Linsenmontagedienste an. Zu seinen Materialkompetenzen gehören Glas von Schott, CDGM und Corning sowie Saphir, CaF₂, MgF₂, Quarzglas, Si, ZnSe und ZnS. Mit diesem Materialbereich können optische Designer die Substrateigenschaften anhand der tatsächlichen SWIR-Wellenlänge und der Systemanforderungen bewerten, anstatt jedes Design auf die gleiche Materialplattform zu zwingen.

Zur Qualitätsüberprüfung verwendet ECOPTIK ZYGO-Laserinterferometer, ZEISS CMM Spectrum und Agilent Cary 7000 UMS für Tests und Produktberichte. Diese Funktionen unterstützen die dimensionale, optische und spektrale Überprüfung während der kundenspezifischen optischen Fertigung.

Für Hersteller von SWIR-Kameras, Bildverarbeitungsunternehmen, Hersteller von industriellen Inspektionsgeräten, Forschungseinrichtungen und Integratoren von Infrarot-Bildgebungssystemen sollte die sinnvollste Lieferantendiskussion daher mit der Bildgebungsanforderung und nicht mit einem Katalogmodell beginnen. Indem der Hersteller zunächst die Zielwellenlänge, den Detektor, die Brennweite, F/#, das Sichtfeld, den Arbeitsabstand, die Umgebungsbedingungen und die erforderliche Bildqualität definiert, kann er die geeigneten Materialien, die optische Struktur, die Beschichtung, die Herstellungstoleranzen und die Testanforderungen bestimmen – und einen Preis für SWIR-Objektive bereitstellen, der anhand des tatsächlichen technischen Umfangs bewertet werden kann.