无锗红外光学器件：利用硫系玻璃替代锗进行中波红外和长波红外光学设计和制造的可行性研究

应用说明序列号：AN-SGYL-02-03-26

锗（Ge）因其高折射率、在长波红外区域的宽透射范围以及相对较低的色散，长期以来一直是红外光学设计的主导材料。这些特性使其成为几十年来紧凑型高性能热成像和红外传感系统的首选材料。然而，锗也存在一些局限性，包括原材料成本高、密度大、折射率随温度变化剧烈，以及与大批量、成本敏感型制造工艺的兼容性有限。其显著的热敏感性，特别是较大的折射率变化率（dn/dT），会导致在宽温度范围内工作的系统出现焦点偏移和性能漂移，因此需要采用复杂的非热化策略。

相比之下，硫系玻璃已成为现代红外光学系统极具吸引力的替代方案。这些材料具有宽广的红外透射率、可定制的折射率选择以及相对较低的热敏感性，从而能够在不同的温度下实现更稳定的性能。其较低的密度也有助于制造更轻的光学组件，这对于紧凑型、便携式和机载平台而言至关重要。从制造角度来看，硫系玻璃非常适合精密玻璃模压成型，能够实现高重复性、严格的公差控制以及无需大量后续抛光即可进行规模化批量生产。

本应用说明表明，从光学设计、热性能和制造工艺的角度来看，硫系玻璃完全可以替代锗。凭借现代光学设计优化、先进的镀膜解决方案和精密成型技术，基于硫系玻璃的系统可以实现同等甚至更优的成像性能。同时，它们还具有显著的成本优势和更高的可扩展性，使其在汽车、安防、工业和消费电子等应用领域的下一代红外系统中极具吸引力。

1. 材料和光学设计可行性

用硫系玻璃替代锗并不需要折射率或色散方面与锗完全等效。相反，系统的可行性是通过智能光学设计优化和制造工艺实现的。现代红外光学工程不再依赖于一对一的材料替代，而是利用非球面、衍射光学元件和多材料组合等额外的自由度来满足性能目标。当与可扩展的精密玻璃成型工艺相结合时，硫系玻璃与传统的锗基系统相比，在性价比方面具有显著优势。

下表总结了从锗玻璃过渡到硫系玻璃时的关键材料和光学设计权衡。

表1：用硫系玻璃替代锗时的关键材料和光学设计权衡

锗（Ge）凭借其极高的折射率，能够实现元件数量更少的紧凑型设计，而硫系化合物系统则通过设计灵活性弥补了这一不足。可塑性非球面几何形状的出现，使得像差校正成为可能，而球面锗设计则需要额外的元件。此外，尽管硫系化合物材料的色散较高，但现代红外系统可以通过衍射光学元件或混合材料结构有效地控制色差效应。

从系统角度来看，硫系玻璃设计中略高的透镜数量被其显著的制造优势所弥补。精密玻璃模压工艺能够实现可重复的大批量生产，且单位成本低于金刚石车削锗光学元件。此外，许多硫系玻璃具有较低的热衰减系数（dn/dT），简化了非热设计，减少了机械补偿需求，并提高了环境稳定性。

2. 光学性能等效性

已发表的中波红外（MWIR）和长波红外（LWIR）光学设计研究表明，基于硫系化合物的系统可以实现与传统锗（Ge）基准相当的调制传递函数（MTF）、畸变控制和场性能。虽然锗的优势在于其极高的折射率和低色散，但通过适度且可控地增加光学复杂性，即可实现与硫系化合物材料性能相当。该方法并非直接替换材料，而是依赖于设计重新优化、特殊表面处理以及策略性的材料组合。

表2：锗和硫系化合物设计的光学性能可行性比较

从表2可以看出，通过引入一个衍射光学元件（DOE）表面，即可使用相同数量的硫系透镜替代双元件锗光学系统，并获得等效的MTF性能。该DOE提供了额外的色差校正能力，可以补偿硫系材料较高的色散。此外，还可以使用一个模压非球面硫系透镜，并结合两种额外的红外材料（例如ZnSe或ZnS），来实现等效性能，从而在不显著增加系统尺寸的情况下实现多材料色差平衡。

该表格提供的是具有代表性的设计路径，而非严格的规则。在许多实际系统中，尤其是在锗已与其他红外材料结合的混合设计中，锗可以被等量的、表面复杂度相似的硫系元素所替代。如果对整个系统进行重新优化，而不是直接替换，则可以保持相近的场性能、畸变控制和热性能。

这些例子表明，性能可行性本质上是一个设计优化问题，而非材料限制问题。通过合理运用衍射光学元件（DOE）、模压非球面和多层玻璃组合，基于硫系玻璃的中波红外（MWIR）和长波红外（LWIR）系统可以达到锗（Ge）系统的基准性能，同时在成本、可制造性和热稳定性方面更具优势。

为了更清晰地说明，我们比较了两种具有相同焦距和F值的光学设计，一种采用锗（Ge）镜片，另一种完全基于硫系玻璃，参数如表3所示。在本例中，IRG指的是肖特公司（SCHOTT）生产的硫系玻璃材料。两种系统均设计用于中波红外（MWIR）或长波红外（LWIR）成像，且系统级约束条件相同，因此可以直接进行性能比较。

表 3. 两种设计方案的参数，分别采用 1 个 Ge + 3 个 IRG 和 4 个 IRG

从表3可以看出，对于这种特定的设计方案，四元件硫系镜片系统的光学性能与混合式1锗+3硫系镜片设计基本相同。有效焦距、F值、畸变控制、总光路长度和表面复杂度几乎完全一致。通过合理使用非球面和衍射面，调制性能和场校正得以保持。

主要区别体现在视场边缘的相对照度上，全硫系镜片设计在该处照度略有降低。这通常归因于折射率和瞳孔映射的差异，这些差异可能会影响边缘光线控制和渐晕现象。然而，这种降低仍在可接受的系统级公差范围内，并且通常可以通过微调设计进一步优化。

另一个区别在于后焦距，全硫系设计中的后焦距更短。虽然这可能会对机械封装提出更严格的要求，但根据系统需求，它也可以实现更紧凑的模块集成。从镀膜角度来看，锗基第一元件通常除了高耐久性和抗反射镀膜外，还需要DLC保护层，而硫系材料可能不需要同等程度的机械保护，从而简化镀膜结构。

图 1 和图 2 分别展示了 1Ge+3IRG 和 4 IRG 系统在 (a) 和 (b) 中的 MTF 和光斑图。我们可以看到，在透镜数量相同的情况下，这两个系统的性能相近，4 IRG 甚至略胜一筹。

3. 热可行性和系统鲁棒性

在红外光学系统中，硫系玻璃相对于锗玻璃最显著的优势之一在于其优异的热性能。锗玻璃虽然具有高折射率，因此拥有强大的光功率，但其折射率随温度的变化率（dn/dT）也相对较高。这意味着即使是轻微的温度变化也会导致明显的焦距偏移，从而降低成像质量，除非采用主动或机械补偿机制。

相比之下，硫系玻璃通常具有显著更低的dn/dT值。这种固有的材料稳定性使得被动式非热光学设计成为可能，其中聚焦稳定性是通过材料选择和光学平衡来实现的，而非机械重聚焦机制。因此，在保持宽工作温度范围内成像性能一致的同时，可以降低系统复杂性。

表4：锗和硫系光学系统的热可行性比较

由于锗基系统具有较高的dn/dT值，因此通常需要机械重聚焦、浮动透镜组或温度补偿结构，以在温度变化范围内保持最佳调制性能。这些解决方案会增加机械结构的复杂性、尺寸和重量，并可能引发长期可靠性问题。

相比之下，硫系材料优异的热性能使得透镜组件仅通过光学设计即可满足非热性能要求。通过精心搭配材料并合理分配光功率，无需调整探测器平面，即可在较宽的温度范围内保持焦点位置几乎恒定。这种被动稳定性在汽车、户外监控、工业监测和航空航天等应用中尤为重要，因为这些应用场景中的系统必须在从低温到高温的环境温度下可靠运行。

此外，某些锗基系统在特定环境条件下可能会出现热致变暗效应，而硫系玻璃通常在典型工作范围内表现出稳定的透射特性。总体而言，硫系透镜优异的热稳定性使其结构更简单、系统重量更轻、可靠性更高、系统总成本更低，同时保持了稳定的光学性能。

4. 制造和可扩展性可行性

对于基于硫系玻璃的红外系统而言，精密玻璃成型是实现光学可行性并转化为经济可行性的关键技术。尽管先进的光学设计在理论上可行，但实际应用取决于能否以合理的成本，大规模、稳定地生产出高质量的组件。硫系玻璃尤其适合精密成型，能够以极高的重复性和最少的后处理，制造出包括非球面和自由曲面在内的复杂光学表面。随着产量的增加，这种能力显著降低了单位成本，使高性能红外光学器件在大众市场应用中具有经济可行性。

表5：制造可行性比较

锗光学元件通常采用金刚石车削或研磨/抛光工艺制造，虽然能提供优异的表面质量，但这种方法劳动密集、耗时且成本高昂，尤其对于非球面或多元件设计而言更是如此。因此，单件成本仍然很高，难以实现大规模生产。

相比之下，硫系玻璃适用于精密模塑工艺，熔融玻璃可直接在模具中成型，形成非球面和自由曲面，且后续抛光工序极少。添加非球面或衍射面的增量成本很低，使得复杂的光学设计无需高昂的成本即可实现。模塑工艺还支持高通量生产、优异的尺寸重复性和大批量产品一致的光学质量。

硫系玻璃兼具光学设计的灵活性和可扩展的制造工艺，能够以适合商业和大众市场应用的产量和成本，提供高性能的中波红外（MWIR）和长波红外（LWIR）光学器件。这种方法弥合了技术可行性和经济效益之间的差距，使硫系透镜成为现代红外系统中锗透镜的理想替代品。

5. 我们现有的无锗红外透镜

我们已经开发出一定数量的无锗红外透镜，其中锗被硫系玻璃取代，如表 6 至表 8 所示，分别对应定焦透镜、变焦透镜和非热透镜。

表6： Wavelength Opto-Electronic 无锗定焦红外镜头

表7： Wavelength Opto-Electronic 无锗变焦红外镜头

我们已开发出100多种采用硫系玻璃和其他非锗材料的非热长波红外透镜，焦距范围从0.9毫米到110毫米。表7给出了一些设计示例。

表 8：我们部分不含锗的非热敏长波红外定焦镜头的列表

7. 结论

Wavelength Opto-Electronic 结合了广泛的 红外光学 公司拥有端到端的制造能力，是无锗红外光学器件的理想合作伙伴。公司的一体化运营涵盖了从内部硫系玻璃开发和提纯到最终产品的整个价值链。 光学设计, 精密制造, 涂层以及组装，无需依赖锗即可实现红外镜头和系统的全面生产。Wavelength 在硫系材料（包括专有的提纯和生长工艺）方面的专业研发以及强大的生产能力（每年约 10 吨硫系玻璃）确保其能够大规模提供高性能的中波红外/长波红外光学器件。凭借数十年的红外镜头设计经验（涵盖非热成像到连续变焦系统）以及耐用的 DLC 涂层等先进技术，Wavelength 能够大规模生产高性能中波红外/长波红外光学器件，无需依赖锗。 硫系光学器件Wavelength 在支持系统设计人员和制造商部署可扩展的高性能无锗红外光学器件和系统方面处于有利地位。

用硫系玻璃替代锗不仅可行，而且对现代中波红外（MWIR）和长波红外（LWIR）光学系统具有战略优势。凭借光学设计自由度和精密成型技术，硫系玻璃能够提供性能相当、热稳定性好且可扩展的生产能力。