多波段红外光学系统中的材料限制与结构设计挑战
Aubor 技术观察 |
随着红外技术在安防、医疗、工业、自动驾驶等领域的渗透不断深入，多波段感知系统（如SWIR + MWIR，850nm + 1550nm 等组合）正成为新一代传感器模组的核心趋势。但在实际落地过程中，光学子系统常常成为整机性能的“瓶颈”之一，特别是透镜材料的光谱响应、面形设计与镀膜工艺之间存在天然冲突。
本文从工程角度出发，围绕当前主流聚合物红外透镜系统，解析三个核心技术挑战。
一、聚合物材料在红外多波段中的透过率表现
在设计多波段红外系统时，首要考虑的限制不是结构，而是材料。
不同塑料材料在近红外到中红外（700nm~14μm）波段的透过率、折射率、吸收峰位置差异极大。如：
| 材料 | 透光波段范围 | 940nm 透过率 | 1550nm 透过率 | 折射率（940nm） | 吸收峰 |
|---|---|---|---|---|---|
| HDPE | 2~12μm | <10% | <5% | ~1.53 | 强吸收@1550nm |
| PMMA | 300nm~1100nm | >92% | ~30% | ~1.49 | 吸收增强@>1400nm |
| Zeonex E48R | 400~1550nm | >90% | >85% | ~1.53 | 稳定 |
| COP/COC 改性材料 | 400~1650nm | 85~95% | 70~85% | 可调 | 中等吸收峰 |
小结：
市面常见PMMA与HDPE材料，虽然加工稳定，但高波段穿透率差，难以用于1550nm以上成像/测距系统。
推荐选用 Zeonex、Cyclo Olefin Copolymer（COC）类材料，其在NIR/SWIR段具备更优的透过性能，且支持高折射率调整（n≈1.54~1.62）。
在实际项目中，我们通常需基于客户波段需求，做“材料前置筛选+实际光谱测试”来保证透镜系统效率。
二、非球/自由曲面在大FOV红外系统中的几何限制
红外传感器模块逐步从小角度中心探测向“全视场覆盖+边缘补偿”演进，对透镜结构提出更高要求。Aubor通过Zemax与CodeV联合模拟，总结如下趋势：
传统球面菲涅尔结构：易于注塑，边缘光斑失真严重，FOV > 90°后能量分布严重不均。
非球面设计：支持更均匀照度和较低MTF损耗，适用于65°~100°应用场景；但制造公差要求提高，模具需支持亚微米精度。
自由曲面结构（Freeform Optics）：可按面阵探测器布局自定义视场分布，但难点在于：
设计非对称面形需多轴CNC或金刚石车削；
面形检测只能依赖干涉仪 + 表面轮廓仪复合分析；
多腔模成型时翘曲控制难度显著提升。
举例：
在一个 ToF+PIR 双模探测系统中，我们为一客户设计了 135° 广角自由曲面结构透镜。使用标准PMMA时 FWHM 偏差达23%，更换为 COC 材料后，系统热稳定性改善了47%，MTF均匀性提高18.6%。
三、镀膜工艺在宽波段系统中的相容性限制
红外透镜若需同时支持两个波段（如940nm + 1550nm），需在光谱反射控制方面做出权衡：
单层镀膜（Single-layer AR）：成本低，但只能优化一个主波段，如中心λ=940nm。
多层干涉膜（Multi-layer broadband AR）：可扩展波段宽度，但膜层数多（>6层）时容易发生应力裂变，尤其在高温注塑基底上。
纳米结构减反（Moth-eye）：理想方案，但对注塑精度与后处理膜保护有极高要求，尚未在大批量透镜中普及。
Aubor应对策略：
根据客户波段优先级，采用“双波段兼容 + 权重调优”方式定制镀膜曲线。
在ToF项目中，将940nm主波段AR镀膜叠加带通滤光片支持；而在激光通信（1550nm）项目中，则优先控制插入损耗 < 0.5dB。
所有红外镀膜工艺，均通过AOI自动检测系统检测膜厚偏差 < ±5%。
小结与建议
面向工程师和产品开发者，我们建议在启动任何中远红外项目时，从以下三个前置视角展开工作：
材料先行：测试材料在目标波段的实际光谱响应，避免“设计合理但材料吸收”造成性能浪费。
面形分段协同：特别是超广角与多焦系统，应优先考虑非球或自由曲面结构建模，并预估其对公差的依赖。
光谱镀膜策略一体化：将镀膜设计纳入结构与系统早期规划，避免后期调整带来成本与进度风险。
Aubor致力于成为聚合物红外透镜与微型光学系统的协同开发者。我们不仅做透镜，更深度参与客户系统的“早期光学决策”。
若您有涉及 850nm / 940nm / 1550nm / 1650nm 等波段的红外系统开发需求，我们欢迎工程师之间的深入技术对话。
