Optik Inframerah Bebas Germanium: Kebolehlaksanaan Menggunakan Kaca Chalkogenida untuk Menggantikan Germanium dalam Reka Bentuk dan Pembuatan Optik MWIR & LWIR
Nota Permohonan No. Siri: AN-SGYL-02-03-26
Pengarang: Dr Qu Yingli – Pengarah R&D
Editor: Bryan Ng – Pengurus Pemasaran
Diterbitkan pada:
Last edited:
Germanium (Ge) secara sejarahnya mendominasi reka bentuk optik inframerah kerana indeks biasannya yang tinggi, penghantaran luas di kawasan inframerah gelombang panjang, dan penyebaran kromatik yang agak rendah. Sifat-sifat ini telah menjadikannya bahan pilihan untuk sistem pengimejan terma dan penderiaan inframerah yang padat dan berprestasi tinggi selama beberapa dekad. Walau bagaimanapun, Ge juga membentangkan beberapa batasan, termasuk kos bahan mentah yang tinggi, ketumpatan yang ketara, variasi indeks biasan yang bergantung pada suhu yang kuat, dan keserasian terhad dengan proses pembuatan isipadu tinggi dan sensitif kos. Kepekaan termanya yang ketara, terutamanya dn/dT yang besar, boleh menyebabkan anjakan fokus dan hanyutan prestasi dalam sistem yang beroperasi merentasi julat suhu yang luas, meningkatkan keperluan untuk strategi athermalisasi yang kompleks.
Sebaliknya, kaca kalkogenida telah muncul sebagai alternatif yang menarik untuk sistem optik inframerah moden. Bahan-bahan ini menawarkan penghantaran inframerah yang luas, pilihan indeks biasan yang disesuaikan, dan kepekaan haba yang agak rendah, membolehkan prestasi yang lebih stabil berbanding suhu. Ketumpatannya yang lebih rendah juga menyumbang kepada pemasangan optik yang lebih ringan, yang semakin penting untuk platform padat, mudah alih dan bawaan udara. Dari perspektif pembuatan, kaca kalkogenida sangat sesuai untuk pengacuan kaca ketepatan, menyokong kebolehulangan yang tinggi, toleransi yang ketat, dan pengeluaran besar-besaran yang boleh diskala tanpa penggilapan pasca yang meluas.
Nota aplikasi ini menunjukkan bahawa kaca kalkogenida merupakan pengganti Ge yang boleh dilaksanakan sepenuhnya daripada reka bentuk optik, prestasi terma dan perspektif pembuatan. Dengan pengoptimuman reka bentuk optik moden, penyelesaian salutan canggih dan teknologi pengacuan ketepatan, sistem berasaskan kalkogenida boleh mencapai prestasi pengimejan yang setara atau lebih unggul. Pada masa yang sama, ia membolehkan kelebihan kos yang ketara dan kebolehskalaan yang lebih baik, menjadikannya sangat menarik untuk sistem inframerah generasi akan datang dalam aplikasi automotif, keselamatan, perindustrian dan pengguna.
1. Kebolehlaksanaan Reka Bentuk Bahan dan Optik
Menggantikan Ge dengan kaca kalkogenida tidak memerlukan kesetaraan bahan langsung dalam indeks biasan atau penyebaran. Sebaliknya, kebolehlaksanaan sistem dicapai melalui pengoptimuman reka bentuk optik pintar dan pengaktifan pembuatan. Kejuruteraan optik inframerah moden tidak lagi bergantung pada penggantian bahan satu-ke-satu, tetapi sebaliknya memanfaatkan darjah kebebasan tambahan seperti permukaan asfera, elemen optik difraktif dan kombinasi berbilang bahan untuk memenuhi sasaran prestasi. Apabila digabungkan dengan pengacuan kaca ketepatan yang boleh diskala, kaca kalkogenida menawarkan keseimbangan kos-prestasi yang berbeza secara asasnya berbanding sistem berasaskan Ge tradisional.
Jadual di bawah meringkaskan pertukaran bahan dan reka bentuk optik utama apabila beralih daripada kaca Ge kepada kaca kalkogenida.
Jadual 1: Perbandingan utama antara bahan dan reka bentuk optik apabila menggantikan Ge dengan kaca kalkogenida
| Aspek | Ge | Kaca Chalcogenide | Implikasi Reka Bentuk |
|---|---|---|---|
| Indeks refraktif | ~ 4.0 | 2.2 hingga 2.8 | Indeks yang lebih rendah boleh dikompensasikan dengan kiraan kanta yang dioptimumkan, kelengkungan yang lebih tinggi dan permukaan asfera |
| Penyebaran | Sangat rendah | Sederhana hingga tinggi | Penyimpangan kromatik yang diuruskan melalui elemen optik difraktif atau strategi pembetulan berbilang kaca |
| Kiraan Kanta | Rendah | Sederhana | Kiraan elemen yang sedikit meningkat boleh diterima kerana kebolehskalaan pembuatan yang lebih baik |
| Asfera | Kos tinggi, pusingan berlian diperlukan | Mesra kulat | Permukaan asfera menjadi berdaya maju dari segi ekonomi dalam pengeluaran volum |
| dn/dT terma | Tinggi | Rendah | Membolehkan athermalisasi pasif dan mengurangkan anjakan fokus ke atas suhu |
Walaupun Ge mendapat manfaat daripada indeks biasannya yang sangat tinggi, membolehkan reka bentuk padat dengan lebih sedikit elemen, sistem kalkogenida mengimbangi melalui fleksibiliti reka bentuk. Ketersediaan geometri asfera yang boleh dibentuk membolehkan pembetulan aberasi yang sebaliknya memerlukan elemen tambahan dalam reka bentuk Ge sfera. Tambahan pula, walaupun bahan kalkogenida mempamerkan penyebaran yang lebih tinggi, sistem inframerah moden boleh mengawal kesan kromatik dengan berkesan menggunakan elemen optik difraktif atau konfigurasi bahan hibrid.
Dari perspektif sistem, kiraan kanta yang sedikit lebih tinggi dalam reka bentuk kalkogenida diimbangi oleh kelebihan pembuatan yang ketara. Acuan kaca jitu membolehkan pengeluaran berulang dan bervolum tinggi dengan kos seunit yang lebih rendah berbanding optik Ge yang diputar berlian. Di samping itu, dn/dT terma yang lebih rendah bagi kebanyakan kaca kalkogenida memudahkan reka bentuk aterma, mengurangkan keperluan pampasan mekanikal dan meningkatkan kestabilan persekitaran.
2. Kesetaraan Prestasi Optik
Kajian reka bentuk optik MWIR dan LWIR yang diterbitkan menunjukkan bahawa sistem berasaskan kalkogenida boleh mencapai fungsi pemindahan modulasi MTF, kawalan herotan dan prestasi medan yang setanding dengan penanda aras Ge tradisional. Walaupun Ge mendapat manfaat daripada indeks biasannya yang sangat tinggi dan penyebaran yang rendah, kesetaraan prestasi dengan bahan kalkogenida boleh dicapai melalui peningkatan kerumitan optik yang sederhana dan terkawal dengan baik. Daripada penggantian bahan secara langsung, pendekatan ini bergantung pada pengoptimuman semula reka bentuk, penggunaan permukaan khas dan gandingan bahan yang strategik.
Jadual 2: Perbandingan kebolehlaksanaan prestasi optik antara reka bentuk Ge dan kalkogenida
| Jenis Reka Bentuk | Kiraan Kanta | Permukaan Khas | MTF lawan Ge | Penilaian Kebolehlaksanaan |
| 2× Ge | 2 | Tiada | Baseline | Rujukan |
| 2× ChG | 2 | Tiada | Rendah | Tidak mencukupi |
| 2× ChG + DOE | 2 | JAS | Bersamaan | Boleh dilaksanakan |
| 3× ChG (2 gelas) | 3 | Asfera pilihan | Bersamaan | Boleh dilaksanakan |
| 4× ChG (1 gelas) | 4 | Asfera | Hampir setara | Boleh dilaksanakan |
Daripada Jadual 2, dapat dilihat bahawa sistem optik Ge dua elemen boleh digantikan dengan prestasi MTF yang setara menggunakan bilangan kanta kalkogenida yang sama dengan memperkenalkan satu permukaan DOE elemen optik difraktif. DOE menyediakan keupayaan pembetulan kromatik tambahan yang mengimbangi penyebaran bahan kalkogenida yang lebih tinggi. Secara alternatif, prestasi yang setara boleh dicapai menggunakan satu kanta kalkogenida asfera yang dibentuk yang digabungkan dengan dua bahan inframerah tambahan, seperti ZnSe atau ZnS , yang membolehkan pengimbangan kromatik berbilang bahan tanpa pertumbuhan sistem yang berlebihan.
Jadual ini menyediakan laluan reka bentuk yang representatif dan bukannya peraturan yang ketat. Dalam banyak sistem praktikal, terutamanya reka bentuk hibrid di mana Ge telah digabungkan dengan bahan inframerah lain, Ge boleh digantikan dengan bilangan unsur kalkogenida yang setara dengan kerumitan permukaan yang serupa. Apabila keseluruhan sistem dioptimumkan semula dan bukannya digantikan secara langsung, prestasi medan, kawalan herotan dan kelakuan terma yang setanding dapat dikekalkan.
Contoh-contoh ini menggambarkan bahawa kebolehlaksanaan prestasi pada asasnya merupakan masalah pengoptimuman reka bentuk dan bukannya batasan bahan. Dengan penggunaan DOE, asfera acuan dan kombinasi berbilang kaca yang sesuai, sistem MWIR dan LWIR berasaskan kalkogenida boleh menandingi penanda aras Ge sambil menawarkan kelebihan dalam kos, kebolehkilangan dan kestabilan terma.
Untuk menggambarkan dengan lebih jelas, dua reka bentuk optik dengan panjang fokus dan nombor F yang sama, satu menggabungkan Ge dan satu lagi berasaskan sepenuhnya kaca kalkogenida, dibandingkan menggunakan parameter yang disenaraikan dalam Jadual 3. Dalam contoh ini, IRG merujuk kepada bahan kaca kalkogenida daripada SCHOTT. Kedua-dua sistem direka bentuk untuk pengimejan MWIR atau LWIR di bawah kekangan peringkat sistem yang sama, yang membolehkan perbandingan prestasi langsung.
Jadual 3. Parameter untuk dua reka bentuk dengan 1 Ge + 3 IRG dan 4 IRG
| Parameter | 1 Ge + 3 IRG | 4 IRG |
|---|---|---|
| EFL | 50 mm | 50 mm |
| F# | 1.0 | 1.0 |
| Pengesan | 1280 × 1024 – 12 µm | 1280 × 1024 – 12 µm |
| Gelombang | 8–12 µm | 8–12 µm |
| Penyelewengan | ≤ 1% | ≤ 1% |
| Pencahayaan Relatif | ≥ 96% | ≥ 93% |
| TTL | 63.76 mm | 63.89 mm |
| Panjang Fokus Belakang | 18.03 mm | 14.73 mm |
| No. ASP | 2 | 2 |
| No. Jabatan Perkhidmatan Awam | 1 | 1 |
| Salutan untuk Kanta Pertama | DLC / HD / AR | HD / AR |
Daripada Jadual 3, dapat diperhatikan bahawa, untuk kes reka bentuk khusus ini, prestasi optik sistem kalkogenida empat elemen pada asasnya bersamaan dengan reka bentuk kalkogenida hibrid 1 Ge + 3. Panjang fokus berkesan, nombor F, kawalan herotan, panjang trek keseluruhan dan kerumitan permukaan hampir sama. Prestasi modulasi dan pembetulan medan dikekalkan melalui penggunaan permukaan asferik dan difraktif yang setanding.
Perbezaan utama muncul dalam pencahayaan relatif di pinggir medan, di mana reka bentuk kalkogenida sepenuhnya menunjukkan sedikit pengurangan. Ini biasanya disebabkan oleh perbezaan dalam indeks biasan dan pemetaan anak mata, yang mungkin mempengaruhi kawalan sinar marginal dan tingkah laku vignetting. Walau bagaimanapun, pengurangan kekal dalam toleransi peringkat sistem yang boleh diterima dan selalunya boleh dioptimumkan lagi melalui pelarasan reka bentuk kecil.
Satu lagi perbezaan terletak pada panjang fokus belakang, yang lebih pendek dalam reka bentuk kalkogenida sepenuhnya. Walaupun ini mungkin mengenakan kekangan pembungkusan mekanikal yang sedikit lebih ketat, ia juga boleh membolehkan penyepaduan modul yang lebih padat bergantung pada keperluan sistem. Dari perspektif salutan, elemen pertama berasaskan Ge biasanya memerlukan lapisan pelindung DLC selain salutan ketahanan tinggi dan anti-pantulan, manakala bahan kalkogenida mungkin tidak memerlukan tahap perlindungan mekanikal yang sama, yang berpotensi memudahkan seni bina salutan.
Rajah 1 dan 2 menunjukkan MTF dan gambarajah titik untuk 1Ge+3IRG dan 4 IRG dalam (a) dan (b). Kita dapat melihat bahawa, dengan bilangan kanta yang sama, kedua-dua sistem mempunyai prestasi yang serupa, dengan 4 IRG menjadi sedikit lebih baik.
3. Kebolehlaksanaan Terma dan Kekukuhan Sistem
Prestasi terma mewakili salah satu kelebihan kaca kalkogenida yang paling ketara berbanding Ge dalam sistem optik inframerah. Walaupun Ge menawarkan kuasa optik yang kuat disebabkan oleh indeks biasannya yang tinggi, ia juga mempamerkan perubahan indeks biasan yang bergantung kepada suhu yang agak tinggi, dn/dT. Ini bermakna variasi suhu yang sederhana pun boleh menyebabkan anjakan fokus yang ketara, sekali gus menjejaskan kualiti imej melainkan mekanisme pampasan aktif atau mekanikal dilaksanakan.
Sebaliknya, kaca kalkogenida secara amnya mempamerkan nilai dn/dT yang jauh lebih rendah. Kestabilan bahan intrinsik ini membolehkan reka bentuk optik aterma pasif, di mana kestabilan fokus dicapai melalui pemilihan bahan dan pengimbangan optik dan bukannya mekanisme pemfokusan semula mekanikal. Hasilnya, kerumitan sistem dapat dikurangkan sambil mengekalkan prestasi pengimejan yang konsisten merentasi julat suhu operasi yang luas.
Jadual 4: Perbandingan kebolehlaksanaan terma antara sistem optik Ge dan kalkogenida
| metrik | Sistem Ge | Sistem ChG | Kesan Sistem |
|---|---|---|---|
| dn/dT | Tinggi | Rendah | Hanyutan fokus yang berkurangan |
| Fokus Semula Diperlukan | Ya | Tidak | Struktur mekanikal yang lebih mudah |
| Penggelapan Terma | Mungkin | Tiada | Kekukuhan alam sekitar yang lebih tinggi |
Disebabkan dn/dTnya yang lebih tinggi, sistem berasaskan Ge sering memerlukan pemfokusan semula mekanikal, kumpulan kanta terapung atau struktur pampasan suhu untuk mengekalkan prestasi modulasi optimum merentasi variasi suhu. Penyelesaian ini meningkatkan kerumitan mekanikal, saiz, berat dan potensi kebimbangan kebolehpercayaan jangka panjang.
Sebaliknya, sifat terma unggul bahan kalkogenida membolehkan pemasangan kanta memenuhi keperluan prestasi aterma melalui reka bentuk optik sahaja. Dengan memasangkan bahan dengan teliti dan mengagihkan kuasa optik dengan sewajarnya, kedudukan fokus boleh kekal hampir malar pada julat suhu yang luas tanpa melaraskan satah pengesan. Kestabilan pasif ini amat berharga dalam aplikasi automotif, pengawasan luar, pemantauan perindustrian dan aeroangkasa, di mana sistem mesti beroperasi dengan andal dari suhu ambien rendah hingga tinggi.
Selain itu, sesetengah sistem berasaskan Ge mungkin menunjukkan kesan penggelapan haba di bawah keadaan persekitaran tertentu, manakala kaca kalkogenida secara amnya menunjukkan ciri-ciri penghantaran yang stabil dalam julat operasi biasa. Secara keseluruhan, kestabilan haba kanta kalkogenida yang dipertingkatkan diterjemahkan kepada mekanik yang lebih mudah, berat sistem yang dikurangkan, kebolehpercayaan yang lebih baik dan jumlah kos sistem yang lebih rendah, sambil mengekalkan prestasi optik yang konsisten.
4. Kebolehlaksanaan Pembuatan dan Skala
Pengacuan kaca jitu merupakan pemboleh utama yang mengubah kebolehlaksanaan optik kepada kebolehlaksanaan ekonomi untuk sistem inframerah berasaskan kalkogenida. Walaupun reka bentuk optik canggih mungkin boleh dicapai secara teorinya, penggunaan praktikal bergantung pada keupayaan untuk menghasilkan komponen secara konsisten, pada skala dan pada kos yang munasabah. Kaca kalkogenida amat sesuai untuk pengacuan jitu, membolehkan permukaan optik kompleks—termasuk asfera dan geometri bentuk bebas—dihasilkan dengan kebolehulangan yang tinggi dan pemprosesan pasca yang minimum. Keupayaan ini mengurangkan kos setiap unit dengan ketara apabila jumlah pengeluaran meningkat, menjadikan optik inframerah berprestasi tinggi berdaya maju dari segi ekonomi untuk aplikasi pasaran massa.
Jadual 5: Perbandingan kebolehlaksanaan pembuatan
| Aspek Pembuatan | Ge | Kaca Chalcogenide | Kesan |
|---|---|---|---|
| Kaedah Fabrikasi | Pemutaran berlian | Pengacuan ketepatan | Pembuatan berskala tinggi dan berdaya pemprosesan tinggi |
| Kos Asphere | Tinggi | Tambahan rendah | Permukaan kompleks menjadi berdaya maju dari segi ekonomi |
| Kebebasan Reka Bentuk | Terhad oleh kekangan pemesinan | Tinggi | Membolehkan penggunaan reka bentuk asfera, DOE dan hibrid |
| Penskalaan Isipadu | miskin | Cemerlang | Pengeluaran pasaran besar-besaran boleh dicapai |
Optik geo biasanya dibuat menggunakan proses penggilingan atau pengisaran/penggilapan berlian, yang memberikan kualiti permukaan yang sangat baik tetapi memerlukan banyak tenaga kerja, lambat dan mahal, terutamanya untuk reka bentuk asfera atau berbilang elemen. Kos seunit kekal tinggi dan penskalaan kepada jumlah pengeluaran yang besar adalah mencabar.
Sebaliknya, kaca kalkogenida serasi dengan proses pengacuan ketepatan, di mana kaca cair dibentuk terus dalam acuan untuk membentuk permukaan asfera dan bentuk bebas dengan pasca penggilapan yang minimum. Kos tambahan untuk menambah permukaan asfera atau difraktif adalah kecil, membolehkan reka bentuk optik yang canggih tanpa perbelanjaan yang tinggi. Pengacuan juga menyokong pengeluaran daya pemprosesan tinggi, kebolehulangan dimensi yang sangat baik dan kualiti optik yang konsisten merentasi kelompok besar.
Dengan menggabungkan fleksibiliti reka bentuk optik dengan pembuatan berskala, kaca kalkogenida memungkinkan untuk menghasilkan optik MWIR dan LWIR berprestasi tinggi pada jumlah dan kos yang sesuai untuk aplikasi komersial dan pasaran besar-besaran. Pendekatan ini merapatkan jurang antara kebolehlaksanaan teknikal dan daya maju ekonomi, menjadikan kanta kalkogenida sebagai alternatif yang menarik kepada germanium dalam sistem inframerah moden.
5. Kanta Inframerah Bebas Germanium Sedia Ada Kami
Kami telah membangunkan sebilangan Kanta Inframerah Bebas Germanium , di mana Ge digantikan dengan kaca kalkogenida , seperti yang ditunjukkan dalam jadual 6 hingga 8, masing-masing untuk kanta fokus tetap, kanta zum dan kanta aterma.
Jadual 6: Wavelength Opto-Electronic Kanta Inframerah Fokus Tetap Bebas Germanium
| PN. | Panjang fokus | Gelombang | Pengesan |
| IRG6.81.0-17A | 6.8mm | 8um -12um | 640×512,15um |
| IRG9.61.0-17A | 9.6mm | 8um -12um | 640×512,15um |
| IRG111.0-17A | 11mm | 8um -12um | 640×512,15um |
| IRG1001.0-12A | 100mm | 8um -12um | 1024×768, 12um |
| INFRA-MW133.6-10 | 13mm | 3.6 µm – 4.2 µm | 640×512,15um |
| INFRA-MW253.6-10 | 25mm | 3.6 µm – 4.2 µm | 640×512,15um |
| INFRA-MW503.6-10 | 50mm | 3.6 µm – 4.2 µm | 640×512,15um |
| INFRA-MW13.72.0-15V2 | 13.7mm | 3um -5um | 640×512,15um |
| INFRA-MW62.0-15V2 | 6mm | 3.7um – 4.8um | 640×512,15um |
Jadual 7: Wavelength Opto-Electronic Kanta Inframerah Zum Bebas Germanium
| Harta Opto-Mekanik | spesifikasi |
| Panjang fokus | 18-180 |
| F# | 0.8/1.2 |
| Gelombang | 8-12um |
| Pengesan | 640×512_15um |
| Pelbagai fokus | 3.m~∞ |
| Jarak Fokus Belakang | - |
| Jarak Kerja Belakang | - |
| Ukuran | - |
| Jenis Fokus | Fokus Auto |
Kami telah membangunkan lebih daripada 100 jenis kanta LWIR aterma dengan Kaca Chalcogenide dan bahan bukan Ge yang lain, dengan julat panjang fokus dari 0.9 mm hingga 110 mm. Jadual 7 memberikan contoh reka bentuk.
Jadual 8: Senarai jadual beberapa kanta fokus tetap Athermal LWIR kami tanpa Ge
| Panjang fokus | F# | Julat Panjang Gelombang | Bwd | Nombor piksel sensor-saiz piksel |
| 0.9 mm | 1.1 | 8-12 um | 2.4 mm | 120*90-12 um |
| 1.6 mm | 1 | 8-14 um | 2.36 mm | 120*90-12 um |
| 3.2 mm | 1 | 8-12 um | 2.53 mm | 256*192-12 um |
| 5 mm | 1 | 8-12 um | 6.1 mm | 384*288-12 um |
| 10 mm | 1 | 8-12 um | 8.1 mm | 384*288-17 um |
| 16.8 mm | 1 | 8-12 um | 8 mm | 640*512-12 um |
| 25 mm | 1 | 8-12 um | 10 mm | 640*512-12 um /384*288-12 um |
| 35 mm | 1 | 8-12 um | 10 mm | 1280×1024-12 um |
| 50 mm | 1 | 8-12 um | 11 mm | 1280*1024-12 um |
| 55 mm | 1 | 8-12 um | 10 mm | 640*512-12 um |
| 75 mm | 1 | 8-12 um | 8.075 mm | 1280*1024-12 um |
| 110 mm | 1.3 | 8-12 um | 10.29 mm | 640*512-17 um |
7. kesimpulan
Wavelength Opto-Electronic menggabungkan luas optik inframerah kepakaran dengan keupayaan pembuatan hujung ke hujung untuk menjadi rakan kongsi ideal untuk optik inframerah bebas Germanium. Operasi bersepadu syarikat merangkumi keseluruhan rantaian nilai daripada pembangunan dan penulenan kaca kalkogenida dalaman hingga reka bentuk optik, fabrikasi ketepatan, salutan, dan pemasangan, membolehkan pengeluaran penuh kanta dan sistem inframerah tanpa bergantung pada R&D khusus Ge. Wavelength dalam bahan kalkogenida (termasuk proses penulenan & pertumbuhan proprietari) dan kapasiti pengeluaran yang ketara (~10 tan kaca kalkogenida setahun) memastikan ia dapat memberikan optik MWIR/LWIR berprestasi tinggi pada skala. Dengan pengalaman reka bentuk kanta inframerah selama beberapa dekad (merangkumi pengimejan aterma hingga sistem zum berterusan) dan teknologi canggih seperti salutan DLC tahan lama yang disesuaikan untuk optik kalkogenida, Panjang gelombang berada pada kedudukan yang baik untuk menyokong pereka dan pengeluar sistem dalam menggunakan optik dan sistem inframerah bebas Germanium berprestasi tinggi yang boleh diskala.
Menggantikan Ge dengan kaca kalkogenida bukan sahaja boleh dilaksanakan tetapi juga berfaedah secara strategik untuk sistem optik MWIR dan LWIR moden. Didayakan oleh kebebasan reka bentuk optik dan pengacuan ketepatan, kaca kalkogenida memberikan pariti prestasi, ketahanan haba dan kebolehkilangan yang boleh diskala.
