Халькогенидное стекло в инфракрасной оптике: технология, преимущества, решения
Инфракрасная оптика сегодня широко применяется в гражданской сфере: тепловизионный мониторинг, медицинская диагностика, промышленный контроль, системы безопасности и экологического надзора. Ключевой вопрос при разработке таких систем – выбор материала для оптических элементов.
Традиционным решением долгое время оставался германий – материал с высокой оптической силой и отработанной технологией производства. Однако в последние годы его использование сталкивается с рядом ограничений: экспортные ограничения со стороны Китая на соединения галлия и германия привели к дефициту и росту цен на сырье. В этих условиях все более востребованной становится альтернатива – халькогенидные стекла.
Что такое халькогенидное стекло
Халькогенидные стекла – это класс неорганических материалов, получаемых синтезом халькогенов (сера, селен, теллур) с добавлением галлия, индия, кремния, германия или кадмия. Они обладают уникальным сочетанием свойств:
- Широкий рабочий диапазон: 0,5–25 мкм, что перекрывает средний и дальний ИК-диапазон (включая окна прозрачности атмосферы 3–5 мкм и 8–14 мкм)
- Технологичность: возможность изготовления методом прямого прессования, что позволяет производить оптику сложной формы крупными сериями
- Стоимость: более доступная альтернатива германию, особенно в условиях текущих ограничений
- Стабильность поставок: материал не подпадает под экспортные ограничения
Сравнение с германием
| Параметр | Германий | Халькогенидное стекло |
|---|---|---|
| Максимальная длина волны | 17,1 мкм | 16,9 мкм |
| Показатель преломления (n @ 10 мкм) | 4,039 | 2,6–2,9 |
| Термооптический коэффициент (dn/dT × 10⁻⁶) | 396 | 20–103 |
| Технология формовки | Не прессуется | Прессование |
| Тип покрытия | DLC | AR + HD |
Более высокий показатель преломления германия позволяет создавать линзы с меньшей кривизной поверхностей. Однако для систем с фокусным расстоянием до 100 мм разница в массе не превышает 16 граммов, что делает халькогенидные стекла практически равноценной альтернативой в большинстве применений.
Качество изображения
Сравнение объективов F/1.0 с фокусным расстоянием 20 мм, изготовленных из монокристаллического германия и халькогенидного стекла, демонстрирует сопоставимые параметры качества изображения при значительной разнице в стоимости и технологичности материала.
Сравнение кривизны оптических поверхностей линз
Чтобы понять разницу между материалами, обратимся к формуле оптической силы линзы: Φ = (n − 1) × (1/R₁ − 1/R₂).Она показывает, что при одинаковом фокусном расстоянии (Φ = const) радиусы кривизны поверхностей линзы обратно пропорциональны показателю преломления материала (n). Чем выше n, тем более пологими могут быть поверхности при той же оптической силе.
У германия показатель преломления на длине волны 10 мкм составляет 4,039, у халькогенидного стекла – 2,6–2,9. Это означает, что линза из германия будет иметь заметно более пологие поверхности, чем оптически эквивалентная линза из халькогенида.
Для линзы с фокусным расстоянием 10 мм, рассчитанной в ZEMAX:
Практическое сравнение
Сравнение двух материалов проводилось на основе оптически идентичных конструкций объективов с фокусным расстоянием 50 мм и одинаковыми габаритными размерами. Результаты измерений ключевых параметров качества изображения сведены в таблицу.
| Параметр | Германий | Халькогенидное стекло |
|---|---|---|
| ЭШРТ (эквивалентная шумовая разность температур), мК | 29,76 | 29,66 |
| Пропускание, % | 4,0 | 90,09 |
| Минимальная различимая разница температур (MRTD), прямой контраст | +225 мК | +300 мК |
| Минимальная различимая разница температур (MRTD), обратный контраст | −175 мК | −150 мК |
| Вес объектива, г | 105,5 | 106,2 |
По ключевым параметрам качества изображения халькогенидное стекло демонстрирует результаты, сопоставимые с германием: ЭШРТ практически идентична (29,76 против 29,66), значения MRTD находятся в сопоставимом диапазоне, а разница в весе объективов составляет менее 1 грамма (105,5 г против 106,2 г). При этом халькогенидное стекло обеспечивает высокое пропускание в рабочем диапазоне 8–12 мкм с современными AR+HD-покрытиями, выигрывая в технологичности, доступности и стабильности поставок.
Объективы на основе халькогенидного стекла в каталоге «ЛЛС»
АО «ЛЛС» представляет линейку инфракрасных объективов. Вся оптика выполнена из халькогенидного стекла с атермальной конструкцией, обеспечивающей стабильную работу при –40…+80 °C.
Модельный ряд
Инфракрасный объектив 4.3 мм UNI9010-0D
Сверхширокоугольный объектив с углом обзора 62,69° по диагонали. Фиксированная фокусировка, минимальная дистанция съёмки 0,1 м. Совместим с детекторами 256 × 192 (12 мкм).
— Обзорное наблюдение на близких дистанциях
— Охранные системы
— Мобильные тепловизоры
Инфракрасный объектив 8.7 мм UNI0310-0E
Универсальный объектив среднего фокусного расстояния (8,7 мм) с углом обзора 109,56° по диагонали и высокой светосилой F# 1.2. Совместим с детекторами 1280 × 1024 (12 мкм). Фиксированная фокусировка, дистанция съёмки от 0,5 м до бесконечности.
— Системы технического зрения
— Промышленный мониторинг
— Медицинская диагностика
Инфракрасный объектив 30 мм UNI9900-0D
Объектив с ручной фокусировкой и фокусным расстоянием 30 мм. Высокая светосила F# 1.0, малая дисторсия 2,15%. Совместим с детекторами 1024 × 768 (14 мкм). Угол обзора в поле зрения 150 мм: 101,06° × 80,38°.
— Промышленный контроль
— Энергетика
— Научные исследования
Инфракрасный объектив 50 мм UNI2300-2A
Объектив среднего фокусного расстояния с фиксированной фокусировкой и минимальной дисторсией 1,2%. Совместим с детекторами 640 × 512 (17 мкм). Угол обзора 15,72° по диагонали, дистанция съёмки от 3 м до бесконечности.
— Дальнее наблюдение
— Охранные системы
— Экологический мониторинг
Инфракрасный объектив 75 мм UNI7520-0H
Длиннофокусный объектив с электрической фокусировкой и сверхмалой дисторсией 1%. Совместим с детекторами 640 × 512 (12 мкм). Угол обзора 7,54° по диагонали, дистанция съёмки от 5 м до бесконечности.
— Дальняя разведка
— Системы наведения
— Аэромониторинг
Сводная таблица характеристик
| Модель | Фокусное расстояние | F# | Сенсор | Угол обзора (Д/Г/В) | Дисторсия | Фокусировка |
|---|---|---|---|---|---|---|
| UNI9010-0D | 4,3 мм | 1,0 | 256×192, 12 мкм | 62,69° / 50° / 37,47° | 10% | Фиксированная |
| UNI0310-0E | 8,7 мм | 1,2 | 1280×1024, 12 мкм | 109,56° / 90,45° / 75,1° | 20% | Фиксированная |
| UNI9900-0D | 30 мм | 1,0 | 1024×768, 14 мкм | 101,06°×80,38°×60 мм (поле зрения) | 2,15% | Ручная |
| UNI2300-2A | 50 мм | 1,0 | 640×512, 17 мкм | 15,72° / 12,42° / 9,95° | 1,2% | Фиксированная |
| UNI7520-0H | 75 мм | 1,0 | 640×512, 12 мкм | 7,54° / 5,87° / 4,69° | 1% | Электрическая |
Все объективы имеют спектральный диапазон 8–12 мкм, рабочую температуру от –40 до +80 °C и поставляются с кастомным механическим задним фокусом и креплением под заказ.
Применения
Инфракрасные объективы из халькогенидного стекла находят применение в широком спектре отраслей:
- Медицинский мониторинг – тепловизионная диагностика, бесконтактное измерение температуры
- Энергетика – контроль состояния ЛЭП, трансформаторных подстанций
- Металлургия и химическая промышленность – мониторинг нагрева оборудования, контроль технологических процессов
- Экологический мониторинг – обнаружение утечек газов, контроль выбросов
- Охранные системы – периметральная охрана, наблюдение в условиях недостаточной освещенности
- Аквакультура – контроль состояния водоёмов и рыбных хозяйств
- Автомобильная промышленность – системы ночного видения, ADAS
Заключение
Халькогенидные стекла – это технологически зрелый материал с собственными преимуществами: доступностью и качеством, сопоставимым с традиционными кристаллическими материалами. Представленная линейка объективов АО «ЛЛС» – это готовое решение для систем ИК-диапазона.
Получить дополнительную информацию вы можете, обратившись к нашему специалисту:
Анонсы статей, мероприятий и еще больше научно-познавательного контента по ссылке в нашем Telegram-канале.
