標準の可視光レンズは、短波赤外線イメージングには必ずしも適しません。動作波長が可視範囲を超えると、光透過、分散、色焦点シフト、収差補正、コーティング性能、検出器のマッチングがすべて設計上の考慮事項になります。可視波長用に最適化されたレンズは、ターゲット SWIR 帯域での透過率が低下したり、焦点位置が異なったりして画質が低下したりする可能性があります。

したがって、工業用検査、科学的画像処理、およびセキュリティ監視では、SWIR レンズは焦点距離だけで選択するのではなく、必要なスペクトル範囲と検出器を中心に設計する必要があります。SWIR レンズの材質、光学構成、AR コーティング、機械的インターフェイスの選択は、画像のコントラスト、解像度、システム サイズ、コストに直接影響を与える可能性があります。これらの要因は、一見類似した製品間で SWIR レンズの価格が大幅に異なる理由も説明しています。

SWIR レンズの材質はどのように選択すればよいですか?

SWIR レンズの材料は、実際の動作帯域、光学処方、環境条件、製造要件に従って選択する必要があります。すべての SWIR システムに最適な単一の材料はありません。

900 ～ 1700 nm 付近の従来の InGaAs 検出器を使用するカメラの場合、設計に応じて、溶融石英、サファイア、選択された光学ガラス、およびその他の近赤外線と互換性のある材料を検討できます。低熱膨張と幅広い透過率が重要な場合には、溶融シリカが魅力的です。熱膨張係数が比較的低いため、温度変化が懸念される場合でも光学的安定性を維持できます。

サファイアは高い硬度と機械的耐久性を備えているため、保護光学素子が厳しい環境に耐える必要がある場合に役立ちます。ただし、サファイアには複屈折があるため、システム設計時にその光学的挙動と結晶方位を考慮する必要があります。

CaF2 は、必要なスペクトル範囲がさらに赤外線にまで及ぶ場合に特に役立ちます。広い透過率と低い屈折率を備えていますが、表面が比較的柔らかく、熱衝撃に弱いため、機械的取り扱い、コーティング、環境保護に注意が必要です。

2.5 μm に近い長い SWIR 範囲の場合、ZnSe、ZnS、シリコン、特殊な IR 材料などの材料が設計の議論に加わる可能性があります。より高い屈折率により、コンパクトな設計で強力な光学パワーを提供できますが、これにより、表面反射、収差補正、コーティング要件、および機械的考慮事項も変わります。

したがって、材料の選択は波長要件から始める必要があります。 900 ～ 1700 nm のレンズと 1000 ～ 2500 nm のレンズは、単に異なるコーティングを施した同じ材料セットを使用すべきではありません。スペクトル範囲を拡張すると、透過要件、分散バランス、コーティング設計、検出器の互換性、さらには必要な光学素子の数と種類も変化します。

光学設計は SWIR 検出器に適合する必要があります

材料の選択は SWIR レンズ設計の一部にすぎません。光学処方は、検出器およびイメージングの幾何学的形状に一致する必要があります。

焦点距離は、視野と作動距離の関係を決定します。焦点距離が長いほど視野が狭くなり、角倍率が大きくなりますが、より広いシーンをカバーする必要がある場合は、一般に焦点距離が短い方がより適切です。

F/# は、集光、被写界深度、回折、システム サイズに影響します。 F/# が低いほど、より多くの光スループットを提供できます。これは、SWIR 照明が制限されている場合に有益です。ただし、明るいレンズを設計すると、収差を制御し、フィールド全体で画質を維持することが難しくなります。

センサーのサイズとピクセルピッチも同様に重要です。小型 InGaAs センサー向けの光学設計を、イメージ サークル、像面湾曲、歪み、解像度をチェックせずに、単純に大型の検出器に移すべきではありません。レンズが検出器を適切にカバーしていないと、システムは有効な画像領域を失ったり、端に向かうにつれて性能が低下したりする可能性があります。

作動距離も実際的な制約です。産業用マシンビジョンでは、レンズは、照明、コンベア、ロボット、またはその他の機器のための十分なスペースを残しつつ、定義された視野を維持する必要がある場合があります。科学機器ではスペクトルの適用範囲と分解能が優先される場合がありますが、セキュリティ システムではより長い作動距離とより狭い視野が必要になる場合があります。

広帯域 SWIR システムでは、色収差にも注意が必要です。レンズが比較的広い波長範囲をカバーする場合、異なる波長が異なる位置に焦点を合わせることができます。したがって、光学設計者は、色の焦点シフトを制御するために、材料の分散とレンズ形状のバランスを取る必要があります。

AR コーティングは後付けではなく、光学設計の一部です。すべての空気ガラス境界面では反射損失が発生する可能性があります。 900 ～ 1700 nm 向けに設計されたコーティングは、1000 ～ 2500 nm の拡張範囲にわたって同等の性能を提供すると自動的に想定されるべきではありません。コーティング仕様は、実際の動作帯域、入射角、基板材料、およびレンズの性能要件に従う必要があります。

産業検査、研究、セキュリティにはさまざまな SWIR 設計が必要

工業用検査では、SWIR イメージングにより、可視波長では区別することが難しい材料や表面状態の違いを明らかにすることができます。アプリケーションには、選別、半導体検査、太陽電池分析、水分関連検査、プロセス監視などがあります。これらのシステムでは、多くの場合、慎重に制御された作動距離、定義された視野、低歪み、および検出器領域全体にわたる十分な解像度が必要です。

科学的イメージングでは、スペクトル帯域幅、光学スループット、焦点の安定性、および特殊な機器との互換性をより重視することができます。レンズが分光法や研究イメージングに使用される場合、可視解像度を単に最大化することよりも、ターゲット波長範囲全体にわたる物質の透過性が重要になる可能性があります。

セキュリティ監視には、別の一連の要件が導入されます。長い作動距離、コンパクトな光学構造、環境安定性、検出器の動作帯域での十分な透過率が重要な選択基準となります。この用途のレンズには、F/#、焦点距離、スペクトル範囲、機械的保護、およびコストの間で、研究室用のイメージング レンズとは異なるバランスが必要になる場合があります。

そのため、見積依頼時に「SWIRレンズ」だけを指定するだけでは不十分です。通常、メーカーは、適切な光学構成を決定する前に、検出器の形式、ピクセル サイズ、ターゲット波長範囲、焦点距離または必要な視野、作動距離、F/#、機械的インターフェイス、環境条件、および画質要件を必要とします。

SWIRレンズの価格は何によって決まるのでしょうか?

SWIR レンズの価格は、レンズ直径だけではなく光学仕様に大きく影響されます。

使用波長範囲は最初の要素の 1 つです。比較的狭い 900 ～ 1700 nm 帯域をカバーするレンズには、2500 nm に向かう広帯域設計とは異なる材料およびコーティング要件が必要となる場合があります。

光学材料もコストに影響します。材料の入手可能性、基板サイズ、光学的均質性、研磨要件、硬度、取り扱いの難しさ、および透過要件はすべて、製造コストに影響します。屈折率や熱挙動を理由に選択された材料は、従来の光学ガラスよりも複雑な製造プロセスを必要とする場合があります。

要素の数も直接的な要因です。要素が増えると、収差、歪み、色彩効果、フィールドパフォーマンスを制御するための自由度が高まりますが、表面が追加されるたびに、材料、研磨、コーティング、位置合わせ、および検査の要件が追加されます。

光学処方自体が価格に大きな影響を与える可能性があります。高速 F/# 設計、大口径、異常な焦点距離、非球面、厳しい中心精度公差、および要求の厳しい画質仕様には、通常、より高度な製造とテストが必要です。

AR コーティングも、標準付属品として扱うのではなく、必要なスペクトル帯域に対して評価する必要があります。ブロードバンドまたは特殊なコーティングでは、より要求の厳しいコーティングプロセスと性能検証が必要になる場合があります。

機械的な要件も重要です。カスタム マウント、検出器インターフェイス、フランジ寸法、フォーカス機構、環境シール、寸法公差などはすべて、エンジニアリングおよび製造コストを増加させる可能性があります。

最後に、カスタマイズの量は見積もりに影響します。プロトタイプまたは少量のカスタム レンズでは、ユニットごとに光学設計、工具、セットアップ、テストに多額のコストがかかる場合があります。生産量が増えると、これらの非経常エンジニアリングコストをより多くのユニットに分散できます。

したがって、調達チームにとって意味のある質問は、単にある SWIR レンズのコストが他のレンズよりも高いかどうかということではありません。より良いアプローチは、波長範囲、材料の選択、F/#、検出器の形式、画質、コーティング仕様、機械的構成、検査要件、カスタマイズ範囲を見積価格と比較することです。

SWIR レンズ メーカーの評価

有能な SWIR レンズ メーカーは、光学要件から検証済みの性能までの完全なチェーンを接続できる必要があります。これには、波長に応じた材料の選択、検出器周りの光学処方の開発、製造公差の管理、適切な AR コーティングの適用、精密な組み立ての完了、完成したレンズの検証が含まれます。

ECOPTIK は15 年間光学部品製造技術を研究しており、カスタマイズされた光学部品とレンズの組み立てサービスを提供しています。その材料機能には、Schott、CDGM、Corning のガラスに加え、サファイア、CaF₂、MgF₂、溶融シリカ、Si、ZnSe、ZnS が含まれます。この材料範囲により、光学設計者は、すべての設計を同じ材料プラットフォームに強制するのではなく、実際の SWIR 波長およびシステム要件に照らして基板特性を評価することができます。

品質検証のために、ECOPTIK は、テストと製品レポートに ZYGO レーザー干渉計、ZEISS CMM Spectrum、および Agilent Cary 7000 UMS を使用しています。これらの機能は、カスタマイズされた光学製品の製造中の寸法、光学、スペクトルの検証をサポートします。

したがって、SWIR カメラ メーカー、マシン ビジョン会社、工業用検査装置メーカー、研究機関、赤外線イメージング システム インテグレーターにとって最も有益なサプライヤーの議論は、カタログ モデルではなくイメージング要件から始める必要があります。最初にターゲット波長、検出器、焦点距離、F/#、視野、作動距離、環境条件、および必要な画質を定義することで、メーカーは適切な材料、光学構造、コーティング、製造公差、およびテスト要件を決定し、実際のエンジニアリング範囲に対して評価できる SWIR レンズの価格を提供できます。