對於工業成像，專為可見光設計的鏡頭無法自動在紫外線範圍內提供相同的性能。隨著波長的減小，在可見光譜中運作良好的光學材料會產生更強的吸收、降低透射率、色度誤差和影像品質下降。當到達感測器的紫外線訊號已經有限時，表面反射也成為更大的問題。

這就是為什麼選擇最佳紫外線鏡片需要的不僅僅是比較焦距或鏡片價格。工作波長、光學材料、傳輸率、數值孔徑、視野、感測器格式、工作距離、像差校正、塗層設計和機械穩定性都需要一起考慮。對於機器視覺、精密測量、科學成像和紫外線偵測系統，鏡頭是訊號鏈的一部分，而不僅僅是相機和物體之間的機械介面。

紫外線鏡片有什麼作用？

UV 鏡頭的基本功能是收集來自物體或 UV 照明源的紫外線輻射，將其傳輸通過光學系統，並將可用的 UV 訊號聚焦到相機感測器上。然而，有效地實現這一點比聚焦可見光要求更高。

UV 透鏡必須先使用在預期波長範圍內具有足夠透射率的材料。例如，紫外線熔融石英廣泛用於紫外線應用，因為它可以提供近紫外線和更深紫外線區域的有用傳輸，而當所需波長進一步延伸到深紫外線時，CaF2 特別有價值。因此，材料選擇與應用的波長有直接關係，而不是通用規格。

鏡頭也必須控制色差和幾何像差。紫外線波長具有與可見波長不同的折射行為，並且可用於紫外線光學設計的實際材料的數量更加有限。這使得獲得與傳統可見光光學眼鏡可以實現的校正、光圈、焦距和光譜覆蓋範圍相同的組合變得更加困難。對深紫外線物鏡的研究表明，材料色散和波長相關的折射率在校正色差時至關重要。

表面處理是另一個重要因素。即使當散裝材料傳輸所需的波長時，每個空氣與玻璃的界面也會引入反射損耗。因此，必須圍繞實際工作頻段設計抗反射塗層。針對一個紫外線範圍進行最佳化的塗層不應自動假定在另一個範圍內提供等效的透射率。例如，專門的 UV 光學元件可以使用針對 220-450 nm 等特定波段進行最佳化的多層塗層。

這是紫外線鏡頭與傳統可見光鏡頭之間的根本區別之一：光學系統必須圍繞紫外線波長進行設計，而不是簡單地擴展到其中。

什麼才是最適合工業系統的紫外線鏡片？

1. 紫外線透射率必須與實際工作波段相符

應在整個工作波長範圍內評估傳輸率，而不是從單一峰值傳輸值。

在 365 nm 附近工作的系統與在 266 nm、248 nm、193 nm 或以下工作的系統有不同的材料需求。紫外線熔融石英通常用於許多紫外線應用，而 CaF2 對於傳統材料失去透射率的深紫外線應用變得越來越重要。例如，已發布的光學材料數據表明，紫外線熔融石英是低至約 195 nm 波長的實用選擇，而 CaF2 則顯著延伸至紫外線波段。

因此，對於採購來說，更有用的問題不僅僅是「這個鏡頭能透過紫外線嗎？」但：

在哪些波長、採用什麼傳輸、通過什麼光路長度、採用什麼塗層？

2. 解析度必須與UV感測器匹配

不應僅根據相機的百萬像素數來選擇鏡頭。光學解析度必須足以支援應用所需的像素間距和空間細節。

例如，高解析度 UV 相機與包含過多球差、色差或場曲的鏡頭配對可能無法產生有用的附加細節。相反，顯著超過實際解析度要求的光學設計會增加成本和複雜性，而不會改善最終測量。

因此，焦距、F/#、感測器尺寸、工作距離和物體尺寸應被視為一個光學系統。較小的 F/# 可以增加收集的光，這在紫外線照明較弱時可能很有價值，但也會使像差控制變得更加困難。適當的折衷取決於所需的景深、解析度、照明水平和測量精度。

3. 視場角和工作距離決定實際影像幾何形狀

對於機器視覺和偵測設備，視野通常比標稱焦距更重要。

具有適當焦距的鏡頭必須覆蓋所需的物體區域，同時在整個像場保持足夠的解析度。工作距離也會影響機械整合、照明幾何形狀、外殼設計以及被檢查部件的可接近性。

對於精密測量，失真和場相關解析度變得特別重要。鏡頭可能會產生視覺上清晰的中心影像，但在視野邊緣附近仍會產生不可接受的測量誤差。這就是為什麼鏡頭規格應包括整個場的光學要求，而不是僅僅依賴影像中心性能。

紫外光學材料與塗層：熔石英與 CaF2

紫外熔融石英是需要強紫外穿透、良好光學均勻性、低熱膨脹和實際可製造性的常見選擇。它廣泛應用於延伸至深紫外線區域的紫外線成像和光學系統。

CaF2 提供更廣泛的深紫外線透射，並且隨著工作波長進一步向下移動，它會變得有利。它也用於多材料光學設計，以幫助管理色差。然而，CaF2 是一種結晶材料，其製造和處理的考量與熔融石英不同。其光學行為也可能引入與波長和應用相關的設計考慮因素，特別是在要求苛刻的深紫外線系統中。

因此，材料決定應根據實際波長、光功率、環境條件、所需解析度和設計架構。沒有任何一種紫外線材料可以自動成為每種紫外線成像應用的正確選擇。

塗層的選擇也遵循同樣的原則。 UV AR 塗層應圍繞工作波段、入射角、基材材料和所需的透射率進行指定。對於寬頻應用，塗層架構必須平衡整個目標範圍內的傳輸，而不是僅優化一種波長。

將鏡頭與相機和 UV 光源相匹配

UV 鏡頭、相機感光元件和照明源應視為單一成像鏈。

首先，確定發射或照明波長。 365 nm LED 光源、254 nm 光源和 193 nm UV 系統對透鏡材料和塗層提出了截然不同的要求。

接下來，檢查相機感測器的光譜響應。如果感測器在目標波長的靈敏度有限，僅增加透鏡傳輸率無法解決系統級訊號問題。

然後，感測器格式和像素間距決定所需的影像圈和光學解析度。焦距和工作距離決定視野，而 F/# 影響光收集和景深。在低訊號紫外線檢測中，高效的光子收集尤其重要，因為源、物體、鏡頭和感測器之間的每個光學損耗都會減少可用訊號。

對於設備製造商來說，也應該及早檢查機械相容性。安裝尺寸、鏡筒穩定性、熱膨脹、抗振性、聚焦機制和環境密封都會影響長期校準和影像一致性。

紫外線鏡片提供實用價值的地方

在工業視覺中，紫外線成像可以揭示在可見光照明下難以區分的表面特徵或缺陷。鏡頭在傳輸選定的紫外線波段時必須保持足夠的對比和空間細節。

在精密測量中，幾何畸變、場均勻性、色彩效應和可重複性變得至關重要。選擇用於一般紫外線觀察的鏡頭可能不適合尺寸測量，僅僅因為它可以透射紫外光。

在缺陷檢查中，優先順序可能會轉向訊號效率和解析度。小污染、塗層缺陷、表面不規則或材料差異可能需要適當的波長選擇、照明幾何形狀和光學解析度的組合。

對於科學成像和研究系統，波長範圍可能更窄，光學設計更專業。深紫外線應用對材料傳輸、表面品質、塗層性能和像差校正提出了更嚴格的要求。光學研究已證明可以使用熔融石英和氟化鈣等組合來控制深紫外線鏡中的色差。

如何選擇最好的紫外線鏡片

實用的紫外線鏡片選擇過程應從應用開始，而不是從產品目錄開始。

1. 定義波長：建立最小、最大和主要工作波長。

2. 檢查材料傳輸：確認基材在整個實際頻帶內提供足夠的傳輸。

3. 指定感測器：考慮感測器格式、像素大小、光譜響應和所需的解析度。

4. 計算視場角和工作距離：確定偵測系統所需的焦距和像圈。

5. 設定 F/# 需求：平衡光收集、景深、像差控制和可用照明。

6. 評估光學校正：檢查有用視野的畸變、色差、場曲和解析度。

7. 檢查 AR 塗層：確認塗層是針對預期的 UV 波長範圍而設計的。

8. 檢查機械穩定性：考慮振動、溫度變化、安裝、聚焦和長期尺寸穩定性。

9. 考慮客製化：如果標準鏡頭無法同時滿足波長、視野、解析度、工作距離和機械要求，客製化光學設計可能更合適。

ECOPTIK：用於精密應用的客製化 UV 透鏡開發

ECOPTIK已研究光學元件製造技術 15 年，為工業視覺和精密測量系統提供客製化光學解決方案。其光學製造產品組合包括圓頂透鏡、球面透鏡、微光學元件、柱面鏡、濾光片、棱鏡、窗口和透鏡組件。

對於紫外線應用，ECOPTIK 與 Schott、CDGM 和 Corning 等供應商的光學材料以及紫外線熔融石英、CaF2、MgF2、藍寶石、Si、ZnSe 和 ZnS 等專用材料合作。因此，材料選擇可以與所需的光譜範圍和光學架構相協調，而不是將基板視為孤立的組件。

ECOPTIK 還提供鏡頭組裝服務，並使用 ZYGO 雷射干涉儀、ZEISS CMM Spectrum 和 Agilent Cary 7000 UMS 等設備進行光學和尺寸評估以及產品報告。這支援更完整的紫外線透鏡開發方法，其中需要同時考慮透射率、光學性能、尺寸精度和機械整合。

對於 OEM 和系統整合商來說，最佳的 UV 鏡頭最終是光學設計符合實際波長、感測器、視野、工作距離、解析度、照明和環境要求的鏡頭。精心設計的紫外線透鏡不僅能傳輸紫外光：它還能保留可用的光學訊號，並將其轉換為可測量的影像訊息，並具有完整成像系統所需的一致性。