Optyka podczerwona bez germanu: wykonalność wykorzystania szkła chalkogenkowego do zastąpienia germanu w projektowaniu i produkcji optyki średnio- i długofalowej podczerwieni (MWIR)

Numer seryjny notatki aplikacyjnej: AN-SGYL-02-03-26

German (Ge) historycznie dominował w projektowaniu optyki podczerwonej ze względu na wysoki współczynnik załamania światła, szeroką transmisję w zakresie podczerwieni długofalowej oraz stosunkowo niską dyspersję chromatyczną. Te właściwości sprawiły, że od dziesięcioleci jest on preferowanym materiałem do kompaktowych, wysokowydajnych systemów obrazowania termicznego i czujników podczerwieni. Jednak Ge ma również kilka ograniczeń, w tym wysoki koszt surowców, znaczną gęstość, silną zmienność współczynnika załamania światła zależną od temperatury oraz ograniczoną kompatybilność z procesami produkcyjnymi o dużej objętości i wysokich kosztach. Jego znaczna wrażliwość termiczna, a w szczególności duży stosunek dn/dT, może prowadzić do przesunięcia ogniska i spadku wydajności w systemach pracujących w szerokim zakresie temperatur, zwiększając zapotrzebowanie na złożone strategie atermizacji.

Z kolei szkło chalkogenidkowe stało się atrakcyjną alternatywą dla nowoczesnych systemów optycznych na podczerwień. Materiały te oferują szeroką transmisję w podczerwieni, dostosowane opcje współczynnika załamania światła oraz stosunkowo niższą wrażliwość termiczną, co zapewnia stabilniejszą pracę w różnych temperaturach. Ich niższa gęstość przyczynia się również do zmniejszenia masy układów optycznych, co jest coraz ważniejsze w przypadku kompaktowych, przenośnych i lotniczych platform. Z punktu widzenia produkcji, szkło chalkogenidkowe doskonale nadaje się do precyzyjnego formowania szkła, zapewniając wysoką powtarzalność, ścisłe tolerancje i skalowalną produkcję masową bez konieczności intensywnego polerowania.

Niniejsza nota aplikacyjna dowodzi, że szkło chalkogenkowe jest w pełni wykonalnym zamiennikiem Ge pod względem projektowania optycznego, wydajności termicznej i produkcji. Dzięki nowoczesnej optymalizacji projektowania optycznego, zaawansowanym rozwiązaniom powłokowym i precyzyjnym technologiom formowania, systemy oparte na chalkogenkach mogą osiągać porównywalną, a nawet lepszą jakość obrazowania. Jednocześnie zapewniają one znaczną oszczędność i lepszą skalowalność, co czyni je niezwykle atrakcyjnymi dla systemów podczerwieni nowej generacji w zastosowaniach motoryzacyjnych, bezpieczeństwa, przemysłowych i konsumenckich.

1. Wykonalność projektu materiałowego i optycznego

Zastąpienie szkła chalkogenkowego (Ge) szkłem chalkogenkowym nie wymaga bezpośredniej równoważności materiałowej pod względem współczynnika załamania światła ani dyspersji. Zamiast tego, wykonalność systemu jest osiągana poprzez inteligentną optymalizację projektu optycznego i możliwości produkcyjne. Współczesna inżynieria optyczna w podczerwieni nie opiera się już na zastępowaniu materiałów w stosunku jeden do jednego, ale na wykorzystaniu dodatkowych stopni swobody, takich jak powierzchnie asferyczne, dyfrakcyjne elementy optyczne i kombinacje wielomateriałowe, aby spełnić cele wydajnościowe. W połączeniu ze skalowalnym, precyzyjnym formowaniem szkła, szkło chalkogenkowe oferuje zasadniczo inny stosunek ceny do wydajności w porównaniu z tradycyjnymi systemami opartymi na Ge.

Poniższa tabela podsumowuje najważniejsze kompromisy dotyczące materiałów i konstrukcji optycznych przy przejściu ze szkła Ge na szkło chalkogenkowe.

Tabela 1: Kluczowe kompromisy w zakresie materiałów i konstrukcji optycznych przy zastępowaniu Ge szkłem chalkogenkowym

Podczas gdy Ge charakteryzuje się bardzo wysokim współczynnikiem załamania światła, umożliwiającym kompaktowe konstrukcje z mniejszą liczbą elementów, systemy chalkogenidowe kompensują to zjawisko poprzez elastyczność konstrukcji. Dostępność formowalnych geometrii asferycznych umożliwia korekcję aberracji, która w przeciwnym razie wymagałaby dodatkowych elementów w konstrukcjach sferycznych Ge. Co więcej, chociaż materiały chalkogenidowe charakteryzują się wyższą dyspersją, nowoczesne systemy podczerwieni mogą skutecznie kontrolować efekty chromatyczne za pomocą dyfrakcyjnych elementów optycznych lub hybrydowych konfiguracji materiałowych.

Z perspektywy systemowej, nieco wyższa liczba soczewek w konstrukcjach chalkogenidkowych jest rekompensowana znaczącymi zaletami produkcyjnymi. Precyzyjne formowanie szkła umożliwia powtarzalną produkcję wielkoseryjną przy niższym koszcie jednostkowym w porównaniu z optyką Ge toczoną diamentem. Ponadto, niższy stosunek temperatury dn/dT w wielu szkłach chalkogenidkowych upraszcza projektowanie atermiczne, zmniejszając wymagania dotyczące kompensacji mechanicznej i poprawiając stabilność środowiskową.

2. Równoważność wydajności optycznej

Opublikowane badania dotyczące projektowania optycznego w zakresie średniej podczerwieni (MWIR) i niskiej podczerwieni (LWIR) dowodzą, że systemy oparte na chalkogenkach mogą osiągnąć MTF (modulacja funkcji przenoszenia), kontrolę zniekształceń i parametry pola porównywalne z tradycyjnymi rozwiązaniami Ge. Chociaż Ge charakteryzuje się bardzo wysokim współczynnikiem załamania światła i niską dyspersją, równoważność parametrów z materiałami chalkogenkowymi jest możliwa do osiągnięcia poprzez umiarkowany i kontrolowany wzrost złożoności optycznej. Zamiast bezpośredniej substytucji materiałów, podejście to opiera się na ponownej optymalizacji projektu, zastosowaniu specjalnych powierzchni i strategicznym doborze materiałów.

Tabela 2: Porównanie wykonalności optycznej projektów Ge i chalkogenidków

Z tabeli 2 wynika, że ​​dwuelementowy układ optyczny Ge można zastąpić, uzyskując równoważną wydajność MTF przy użyciu tej samej liczby soczewek chalkogenidowych, wprowadzając jedną dyfrakcyjną powierzchnię DOE elementu optycznego. Powierzchnia DOE zapewnia dodatkową możliwość korekcji chromatycznej, kompensując wyższą dyspersję materiałów chalkogenidowych. Alternatywnie, równoważną wydajność można uzyskać, stosując jedną formowaną asferyczną soczewkę chalkogenidową w połączeniu z dwoma dodatkowymi materiałami podczerwonymi, takimi jak ZnSe lub ZnS , co umożliwia wielomateriałowe zrównoważenie chromatyczne bez nadmiernego wzrostu układu.

Tabela przedstawia reprezentatywne ścieżki projektowe, a nie ścisłe reguły. W wielu praktycznych systemach, zwłaszcza w projektach hybrydowych, w których Ge jest już połączony z innymi materiałami podczerwonymi, Ge można zastąpić taką samą liczbą pierwiastków chalkogenkowych o podobnej złożoności powierzchni. Ponowna optymalizacja całego systemu, a nie jego bezpośrednia wymiana, pozwala na zachowanie porównywalnych parametrów pola magnetycznego, kontroli zniekształceń i właściwości termicznych.

Te przykłady pokazują, że wykonalność jest zasadniczo problemem optymalizacji projektu, a nie ograniczeniem materiałowym. Dzięki odpowiedniemu zastosowaniu DOE, formowanych asfer i kombinacji wielu rodzajów szkła, systemy MWIR i LWIR na bazie chalkogenków mogą dorównywać standardom Ge, oferując jednocześnie korzyści w zakresie kosztów, możliwości produkcyjnych i stabilności termicznej.

Aby to lepiej zilustrować, porównano dwa układy optyczne o tej samej ogniskowej i liczbie F – jeden z wykorzystaniem Ge, a drugi w całości oparty na szkle chalkogenkowym – przy użyciu parametrów wymienionych w tabeli 3. W tym przykładzie IRG odnosi się do szkła chalkogenkowego firmy SCHOTT. Oba systemy zostały zaprojektowane do obrazowania w zakresie średniej podczerwieni (MWIR) lub niskiej podczerwieni (LWIR) z identycznymi ograniczeniami na poziomie systemu, co umożliwia bezpośrednie porównanie wydajności.

Tabela 3. Parametry dla dwóch projektów z 1 Ge + 3 IRG i 4 IRG

Z tabeli 3 wynika, że ​​w tym konkretnym przypadku projektowym parametry optyczne czteroelementowego układu chalkogenkowego są zasadniczo równoważne hybrydowej konstrukcji 1 Ge + 3 chalkogenkowe. Efektywna ogniskowa, liczba F, kontrola dystorsji, całkowita długość ścieżki i złożoność powierzchni są niemal identyczne. Wydajność modulacji i korekcja pola są zachowane dzięki porównywalnemu zastosowaniu powierzchni asferycznych i dyfrakcyjnych.

Główna różnica pojawia się we względnym oświetleniu na krawędzi pola, gdzie konstrukcja w całości wykonana z chalkogenidu wykazuje niewielką redukcję. Jest to zazwyczaj spowodowane różnicami we współczynniku załamania światła i odwzorowaniu źrenicy, co może wpływać na kontrolę promienia brzeżnego i winietowanie. Jednakże redukcja ta mieści się w dopuszczalnych granicach tolerancji na poziomie systemu i często można ją zoptymalizować poprzez drobne modyfikacje konstrukcyjne.

Kolejna różnica dotyczy tylnej ogniskowej, która jest krótsza w konstrukcji w pełni chalkogenidowej. Chociaż może to nakładać nieco bardziej rygorystyczne ograniczenia mechaniczne, umożliwia również integrację bardziej kompaktowych modułów, w zależności od wymagań systemu. Z perspektywy powłoki, pierwszy element na bazie Ge zazwyczaj wymaga warstwy ochronnej DLC, a także powłok o wysokiej trwałości i antyrefleksyjnych, podczas gdy materiały chalkogenidowe mogą nie wymagać takiego samego poziomu ochrony mechanicznej, co potencjalnie upraszcza architekturę powłoki.

Rys. 1 i 2 przedstawiają MTF i diagram punktowy odpowiednio dla 1Ge+3IRG i 4 IRG w (a) i (b). Widać, że przy tej samej liczbie soczewek oba systemy mają podobne parametry, przy czym 4 IRG jest nawet nieco lepsze.

3. Wykonalność termiczna i solidność systemu

Parametry termiczne stanowią jedną z najważniejszych zalet szkła chalkogenidkowego w porównaniu z Ge w systemach optycznych na podczerwień. Chociaż Ge oferuje wysoką moc optyczną dzięki wysokiemu współczynnikowi załamania światła, charakteryzuje się również stosunkowo dużą, zależną od temperatury zmianą współczynnika załamania światła, dn/dT. Oznacza to, że nawet umiarkowane wahania temperatury mogą prowadzić do zauważalnego przesunięcia ogniska, pogarszając jakość obrazu, chyba że zostaną zastosowane aktywne lub mechaniczne mechanizmy kompensacji.

Szkło chalkogenkowe z kolei charakteryzuje się zazwyczaj znacznie niższymi wartościami dn/dT. Ta wewnętrzna stabilność materiału umożliwia pasywne, atermiczne konstrukcje optyczne, w których stabilność ogniskowania jest osiągana poprzez dobór materiałów i równoważenie optyczne, a nie poprzez mechaniczne mechanizmy ogniskowania. W rezultacie można zredukować złożoność systemu, zachowując jednocześnie spójną jakość obrazowania w szerokim zakresie temperatur pracy.

Tabela 4: Porównanie wykonalności cieplnej układów optycznych Ge i chalkogenidku

Ze względu na wyższy stosunek dn/dT, system oparty na Ge często wymaga mechanicznego ponownego ogniskowania, ruchomych grup soczewek lub struktur kompensacji temperatury, aby utrzymać optymalną wydajność modulacji w różnych temperaturach. Rozwiązania te zwiększają złożoność mechaniczną, rozmiar, wagę i potencjalne problemy z długoterminową niezawodnością.

Z kolei doskonałe właściwości termiczne materiałów chalkogenkowych pozwalają zespołom soczewek spełniać wymagania dotyczące wydajności atermicznej już dzięki samej konstrukcji optycznej. Dzięki starannemu doborowi materiałów i odpowiedniemu rozprowadzeniu mocy optycznej, położenie ogniska może pozostać niemal stałe w szerokim zakresie temperatur, bez konieczności regulacji płaszczyzny detektora. Ta pasywna stabilność jest szczególnie cenna w zastosowaniach motoryzacyjnych, monitoringu zewnętrznego, monitoringu przemysłowego i lotnictwa, gdzie systemy muszą działać niezawodnie zarówno w niskich, jak i wysokich temperaturach otoczenia.

Ponadto, niektóre systemy oparte na węglu krzemowym (Ge) mogą wykazywać efekt przyciemnienia termicznego w określonych warunkach środowiskowych, podczas gdy szkło chalkogenkowe generalnie charakteryzuje się stabilną transmisją w typowych zakresach pracy. Ogólnie rzecz biorąc, lepsza stabilność termiczna soczewek chalkogenkowych przekłada się na prostszą mechanikę, niższą wagę systemu, większą niezawodność i niższy całkowity koszt systemu, przy jednoczesnym zachowaniu spójnych parametrów optycznych.

4. Wykonalność produkcji i skalowalności

Precyzyjne formowanie szkła jest kluczowym czynnikiem, który przekształca wykonalność optyczną w opłacalność ekonomiczną systemów podczerwieni opartych na chalkogenkach. Chociaż zaawansowane projekty optyczne mogą być teoretycznie możliwe do zrealizowania, ich praktyczne wdrożenie zależy od możliwości produkcji komponentów w sposób spójny, na dużą skalę i przy rozsądnych kosztach. Szkło chalkogenkowe szczególnie dobrze nadaje się do precyzyjnego formowania, umożliwiając produkcję złożonych powierzchni optycznych – w tym asferycznych i o dowolnej geometrii – z wysoką powtarzalnością i minimalnym nakładem obróbki końcowej. Ta możliwość znacząco obniża koszty jednostkowe wraz ze wzrostem wolumenu produkcji, czyniąc wysokowydajną optykę podczerwieni ekonomiczną w zastosowaniach na masową skalę.

Tabela 5: Porównanie wykonalności produkcji

Elementy optyczne Ge są zazwyczaj wytwarzane metodą toczenia diamentowego lub szlifowania/polerowania, co zapewnia doskonałą jakość powierzchni, ale jest pracochłonne, powolne i drogie, szczególnie w przypadku konstrukcji asferycznych lub wieloelementowych. Koszt jednostkowy pozostaje wysoki, a skalowanie do dużych wolumenów produkcji jest trudne.

Natomiast szkło chalkogenidkowe jest kompatybilne z procesami formowania precyzyjnego, w których stopione szkło jest formowane bezpośrednio w formie, tworząc powierzchnie asferyczne i swobodne, z minimalnym polerowaniem. Dodatkowy koszt dodania powierzchni asferycznych lub dyfrakcyjnych jest niewielki, co umożliwia tworzenie zaawansowanych projektów optycznych bez nadmiernych kosztów. Formowanie zapewnia również wysoką wydajność produkcji, doskonałą powtarzalność wymiarową i spójną jakość optyczną w dużych partiach.

Łącząc elastyczność projektowania układów optycznych ze skalowalną produkcją, szkło chalkogenidkowe umożliwia dostarczanie wysokowydajnych elementów optycznych MWIR i LWIR w ilościach i cenach odpowiednich dla zastosowań komercyjnych i masowych. To podejście niweluje lukę między wykonalnością techniczną a opłacalnością ekonomiczną, czyniąc soczewki chalkogenidkowe atrakcyjną alternatywą dla germanu w nowoczesnych systemach podczerwieni.

5. Nasze istniejące soczewki podczerwone bez germanu

Opracowaliśmy pewną liczbę soczewek podczerwonych niezawierających germanu , w których Ge zastąpiono szkłem chalkogenkowym , jak pokazano w tabelach od 6 do 8, odpowiednio dla soczewek o stałej ogniskowej, soczewek zmiennoogniskowych i soczewek atermicznych.

Tabela 6: Wavelength Opto-Electronic Obiektywy podczerwone o stałej ogniskowej bez germanu

Tabela 7: Wavelength Opto-Electronic Soczewki podczerwieni z zoomem bez germanu

Opracowaliśmy ponad 100 typów atermicznych soczewek LWIR ze szkła chalkogenkowego i innych materiałów innych niż Ge, o ogniskowych od 0.9 mm do 110 mm. Tabela 7 przedstawia przykłady projektów.

Tabela 8: Lista tabelaryczna niektórych naszych obiektywów stałoogniskowych Athermal LWIR bez Ge

7. Wniosek

Wavelength Opto-Electronic łączy w sobie rozległe optyka na podczerwień Doświadczenie i kompleksowe możliwości produkcyjne sprawiają, że jesteśmy idealnym partnerem w zakresie optyki podczerwonej bez germanu. Zintegrowane operacje firmy obejmują cały łańcuch wartości, od wewnętrznego rozwoju i oczyszczania szkła chalkogenidkowego po… konstrukcja optyczna, precyzyjna produkcja, Powłokai montażu, umożliwiając pełną produkcję soczewek i systemów podczerwieni bez polegania na Ge. Specjalistyczne prace badawczo-rozwojowe firmy Wavelength w zakresie materiałów chalkogenkowych (w tym opatentowane procesy oczyszczania i wzrostu) oraz znaczne moce produkcyjne (~10 ton szkła chalkogenkowego rocznie) gwarantują, że firma może dostarczać na dużą skalę wysokowydajne soczewki średnio- i długofalowe podczerwieni (MWIR/LWIR). Dzięki dziesięcioleciom doświadczenia w projektowaniu soczewek podczerwieni (od obrazowania atermicznego po systemy ciągłego zoomu) oraz zaawansowanym technologiom, takim jak trwałe powłoki DLC dostosowane do… optyka chalkogenidkowaFirma Wavelength jest w stanie udzielić wsparcia projektantom systemów i producentom we wdrażaniu skalowalnych, wysokowydajnych układów i systemów podczerwonych niezawierających germanu.

Zastąpienie Ge szkłem chalkogenkowym jest nie tylko wykonalne, ale i strategicznie korzystne dla nowoczesnych systemów optycznych MWIR i LWIR. Dzięki swobodzie projektowania układów optycznych i precyzyjnemu formowaniu, szkło chalkogenkowe zapewnia porównywalność parametrów, odporność termiczną i skalowalność produkcji.