Limitaciones de materiales y desafíos de diseño estructural en sistemas ópticos infrarrojos multibanda
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Con la penetración continua de la tecnología infrarroja en seguridad, médica, industrial, conducción autónoma y otros campos, los sistemas de detección multibanda (como SWIR + MWIR, 850nm + 1550nm y otras combinaciones) se están convirtiendo en la tendencia central de la nueva generación de módulos sensores. Sin embargo, en el proceso de aterrizaje real, el subsistema óptico a menudo se convierte en uno de los "cuellos de botella" del rendimiento de toda la máquina, especialmente el conflicto natural entre la respuesta espectral del material de la lente, el diseño de la superficie y el proceso de recubrimiento.
Desde el punto de vista de la ingeniería, este artículo analiza tres desafíos técnicos principales en torno al actual sistema de lentes infrarrojas de polímeros.
Primero, el rendimiento de transmitancia de materiales poliméricos en la banda múltiple infrarroja Al diseñar un sistema infrarrojo multibanda, la primera consideración no es la estructura, sino el material.
Los diferentes materiales plásticos tienen grandes diferencias en la transmitancia, el índice de refracción y la posición del pico de absorción en la banda del infrarrojo cercano al infrarrojo medio (700nm ~ 14μm). Por ejemplo:
Rango de banda de transmitancia de materiales 940nm Transmittance 1550nm Índice de refracción de transmitancia (940nm) Pico de absorción HDPE2 ~ 12μm1400nmZeonex E48R400 ~ 1550nm> 90%> 85% ~ 1,53 Materiales modificados COP / COC estables 400 ~ 1650nm85 ~ 95% Pico de absorción medio ajustable
Resumen:
Materiales comunes de PMMA y HDPE en el mercado, aunque el procesamiento es estable, la transmitancia de banda alta es pobre, lo que dificulta su uso en sistemas de imagen / rango por encima de 1550nm.
Zeonex, Cyclo Olefin Copolymer (COC) se recomiendan materiales, que tienen un mejor rendimiento de transmisión en el segmento NIR / SWIR y soportan una alta refr
En proyectos reales, generalmente necesitamos hacer "predetección de materiales + pruebas espectrales reales" basadas en los requisitos de la banda del cliente para garantizar la eficiencia del sistema de lentes.
2. Limitaciones geométricas de superficies no esféricas / de forma libre en grandes sistemas de infrarrojos FOV Los módulos de sensores infrarrojos evolucionan gradualmente de detección de centro de ángulo pequeño a "cobertura de campo de visión completo + compensación de bordes", lo que plantea mayores requisitos para la estructura de la lente. Aubor resume las siguientes tendencias a través de la simulación de juntas Zemax y CodeV:
Estructura esférica tradicional de Fresnel: moldeo fácil de inyección, distorsión grave de los puntos de luz de los bordes y distribución de energía desigual grave después de FOV> 90.
Diseño asférico: admite una iluminación más uniforme y una menor pérdida de MTF, adecuado para escenarios de aplicación de 65 ~ 100; pero se han mejorado los requisitos de tolerancia de fabricación y el molde debe admitir una precisión por debajo de los micrones.
Óptica de forma libre: la distribución del campo de visión se puede personalizar de acuerdo con el diseño del detector de matriz de áreas, pero la dificultad radica en:
El diseño de la superficie asimétrica requiere CNC de varios ejes o torneado de diamantes;
La detección de la forma de la superficie solo puede depender del análisis compuesto de interferómetro + perfilador de superficie;
La dificultad de control de Warpage mejora significativamente durante el moldeo de múltiples cavidades.
Ejemplo:
En un sistema de detección de modo dual ToF + PIR, diseñamos una lente de estructura de forma libre de gran angular 135 para un cliente. La desviación FWHM fue del 23% cuando se usó PMMA estándar. Después de reemplazar con el material COC, la estabilidad térmica del sistema se mejoró en un 47% y la uniformidad MTF se mejoró en un 18,6%.
3. Limitaciones de compatibilidad del proceso de recubrimiento en un sistema de banda ancha Las lentes infrarrojas necesitan soportar dos bandas al mismo tiempo (como 940nm + 1550nm), y necesitan hacer un equilibrio en el control de la reflexión espectral:
AR de una sola capa: Bajo costo, pero solo se puede optimizar una banda principal, como la lambda central = 940nm.
AR de banda ancha multicapa: El ancho de la banda se puede ampliar, pero el número de capas (> 6 capas) es propenso a la fisión por tensión, especialmente en sustratos moldeados por inyección a alta temperatura.
Nanoestructura antirreflejos (Moth-eye): Solución ideal, pero tiene requisitos extremadamente altos de precisión de moldeo por inyección y protección de película posterior al tratamiento, y aún no se ha popularizado en lentes a gran escala.
Aubor Estrategia de afrontamiento:
Personalice la curva de recubrimiento de acuerdo con la prioridad de la banda del cliente, utilizando el método de "compatibilidad de doble banda + ajuste de peso".
En el proyecto ToF, el recubrimiento AR de banda principal de 940nm se superpone con soporte de filtro paso de banda; en el proyecto de comunicación láser (1550nm), la pérdida de inserción se controla preferentemente <0,5dB.
Todos los procesos de recubrimiento infrarrojo son detectados por el sistema de detección automática AOI para la desviación del grosor de la película <5%.
Resumen y consejo Para ingenieros y desarrolladores de productos, recomendamos que al iniciar cualquier proyecto de infrarrojo medio-lejano, trabaje desde las siguientes tres perspectivas frontales:
Material primero: Pruebe la respuesta espectral real del material en la banda objetivo para evitar un "diseño razonable pero absorción de material" que resulte en un rendimiento desperdicio.
Sinergia de segmentación de superficie: Especialmente para sistemas ultra gran angular y multifocales, se debe dar prioridad al modelado de estructuras superficiales no esféricas o de forma libre, y se debe estimar su dependencia de las tolerancias.
Estrategia de recubrimiento espectral integración: incorporar el diseño de recubrimiento en la planificación temprana de estructuras y sistemas para evitar riesgos de costo y cronograma causados por ajustes posteriores.
Aubor se compromete a ser codesarrollador de lentes infrarrojas de polímero y sistemas micro ópticos. No solo fabricamos lentes, sino que también participamos más profundamente en las "decisiones ópticas iniciales" de los sistemas del cliente.
Si tiene necesidades de desarrollo de sistemas de infrarrojos que involucren bandas como 850nm / 940nm / 1550nm / 1650nm, agradecemos el diálogo técnico en profundidad entre ingenieros
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