標準可見光鏡頭並非自動適合短波紅外線成像。隨著工作波長超出可見光範圍，光學傳輸、色散、色焦偏移、像差校正、塗層性能和偵測器匹配都成為設計考量。針對可見光波長進行最佳化的鏡頭可能在目標短波紅外線波段傳輸較差，或產生不同的焦點位置並降低影像品質。

因此，對於工業檢測、科學成像和安全監控，短波紅外線鏡頭必須圍繞所需的光譜範圍和探測器進行設計，而不是僅根據焦距進行選擇。SWIR 透鏡材料、光學配置、增透膜和機械介面的選擇可以直接影響影像對比度、解析度、系統尺寸和成本。這些因素也解釋了為什麼看似相似的產品之間短波紅外線鏡頭的價格差異很大。

短波紅外線鏡頭材質該如何選擇？

SWIR透鏡材料應根據實際工作波段、光學處方、環境條件和製造要求來選擇。沒有一種材料對於每個短波紅外線系統都是最佳的。

對於使用 900–1700 nm 左右傳統 InGaAs 偵測器的相機，可以根據設計考慮使用熔融石英、藍寶石、精選光學玻璃和其他近紅外線相容材料。當低熱膨脹和廣泛的傳輸很重要時，熔融石英就很有吸引力。當溫度變化成為問題時，其相對較低的熱膨脹係數有助於維持光學穩定性。

藍寶石提供高硬度和機械耐用性，使其在保護性光學元件必須耐受嚴苛環境的情況下非常有用。然而，藍寶石是雙折射的，因此在系統設計期間需要考慮其光學行為和晶體取向。

當所需的光譜範圍延伸到更遠的紅外線區域時，CaF2 變得特別有用。它具有較寬的透射率和較低的折射率，但其相對柔軟的表面和對熱衝擊的敏感性意味著需要注意機械處理、塗層和環境保護。

對於接近 2.5 μm 的較長 SWIR 範圍，諸如 ZnSe、ZnS、矽和專用紅外線材料等材料可能會進入設計討論。它們較高的折射率可以在緊湊的設計中提供強大的光學功率，但這也會改變表面反射、像差校正、塗層要求和機械考慮。

因此，材料選擇應從波長要求開始。 900–1700 nm 鏡頭和 1000–2500 nm 鏡頭不應簡單地使用具有不同塗層的相同材料組。擴展光譜範圍會改變傳輸需求、色散平衡、塗層設計、偵測器相容性，通常還會改變所需光學元件的數量和類型。

光學設計必須與 SWIR 探測器相匹配

材料選擇只是短波紅外線鏡頭設計的一部分。光學處方必須與探測器和成像幾何結構相符。

焦距決定了視野和工作距離的關係。較長的焦距可以提供較窄的視場和較大的角放大倍率，而較短的焦距通常在需要覆蓋較寬的場景時更合適。

F/# 影響光收集、景深、繞射和系統尺寸。較低的 F/# 可以提供更高的光學吞吐量，這在短波紅外線照明有限時非常有價值。然而，設計快速鏡頭也增加了控制像差和維持整個視場影像品質的難度。

感測器尺寸和像素間距同樣重要。用於小型 InGaAs 感測器的光學設計不應在不檢查像圈、場曲、畸變和解析度的情況下簡單地轉移到較大的偵測器。如果鏡頭沒有正確覆蓋偵測器，系統可能會失去有用的影像區域或在邊緣處表現出效能下降。

工作距離是另一個實際限制。在工業機器視覺中，鏡頭可能需要保持定義的視野，同時為照明、傳送帶、機器人或其他設備留出足夠的空間。科學儀器可能會優先考慮光譜覆蓋範圍和分辨率，而安全系統可能需要更長的工作距離和更窄的視野。

寬頻短波紅外線系統中的色差也值得關注。當鏡頭覆蓋相對較寬的波長範圍時，不同的波長可以聚焦在不同的位置。因此，光學設計人員需要平衡材料色散和透鏡幾何形狀，以控制色焦偏移。

增透膜是光學設計的一部分，而不是事後的想法。每個空氣-玻璃介面都會引入反射損耗。設計用於 900–1700 nm 的塗層不應自動假定在擴展的 1000–2500 nm 範圍內提供相同的性能。鍍膜規格應遵循鏡頭的實際工作波段、入射角、基材材料和性能要求。

工業檢測、研究和安全需要不同的 SWIR 設計

在工業檢測中，短波紅外線成像可以揭示在可見光波長下難以區分的材料或表面狀況的差異。應用包括分選、半導體檢查、太陽能電池分析、濕度相關檢查和製程監控。這些系統通常需要仔細控制工作距離、定義的視場、低失真以及整個偵測器區域的足夠解析度。

科學成像可以更加重視光譜頻寬、光學吞吐量、焦點穩定性以及與專用儀器的兼容性。如果鏡頭用於光譜或研究成像，則在整個目標波長範圍內的材料傳輸可能比簡單地最大化可見光解析度更重要。

安全監控引入了另一組要求。長工作距離、緊湊的光學結構、環境穩定性以及在探測器工作波段的足夠傳輸可以成為關鍵的選擇標準。用於此應用的鏡頭可能需要與實驗室成像鏡頭不同的 F/#、焦距、光譜範圍、機械保護和成本之間的平衡。

這就是為什麼在索取報價時僅指定“SWIR 鏡頭”是不夠的。在確定適當的光學配置之前，製造商通常需要偵測器格式、像素尺寸、目標波長範圍、焦距或所需的視野、工作距離、F/#、機械介面、環境條件和影像品質要求。

是什麼決定了短波紅外線鏡頭的價格？

SWIR 鏡頭的價格很大程度上受光學規格的影響，而不僅僅是鏡頭直徑的影響。

工作波長範圍是首要因素之一。覆蓋相對較窄的 900-1700 nm 波段的透鏡可能具有與延伸至 2500 nm 的寬頻設計不同的材料和塗層要求。

光學材料也會影響成本。材料可用性、基板尺寸、光學均勻性、拋光要求、硬度、處理難度和傳輸要求都會影響製造費用。由於其折射率或熱行為而選擇的材料可能需要比傳統光學玻璃更複雜的製造過程。

元素的數量是另一個直接因素。更多的元件可以提供額外的自由度來控制像差、畸變、色彩效應和現場性能，但每個額外的表面都會增加材料、拋光、塗層、對準和檢查要求。

光學處方本身會對價格產生重大影響。快速 F/# 設計、大光圈、不尋常的焦距、非球面、嚴格的中心公差以及嚴苛的影像品質規格通常需要更複雜的製造和測試。

增透膜也應根據所需的光譜帶進行評估，而不是作為標準配件。寬頻或專用塗層可能需要更嚴苛的塗層製程和性能驗證。

機械要求也很重要。客製化安裝座、偵測器介面、法蘭尺寸、聚焦機構、環境密封和尺寸公差都會增加工程和製造成本。

最後，定制量影響報價。原型或小批量客製化鏡頭可能需要大量的單位光學設計、加工、設定和測試成本。更高的產量可以將這些非經常性工程成本分配給更多的單位。

因此，對於採購團隊來說，有意義的問題不僅僅是一個短波紅外線鏡頭的成本是否比另一個鏡頭高。更好的方法是比較波長覆蓋範圍、材料選擇、F/#、探測器格式、影像品質、塗層規格、機械配置、檢查要求和自訂範圍以及報價。

評估短波紅外線鏡頭製造商

有能力的短波紅外線鏡頭製造商應該能夠連接從光學要求到經過驗證的性能的完整鏈條。這包括根據波長選擇材料、制定探測器周圍的光學處方、控制製造公差、應用合適的增透膜、完成精密組裝以及驗證成品透鏡。

ECOPTIK已研究光學元件製造技術 15 年，並​​提供客製化光學元件和鏡頭組裝服務。其材料能力包括肖特、CDGM 和康寧玻璃，以及藍寶石、CaF2、MgF2、熔融石英、Si、ZnSe 和 ZnS。該材料系列允許光學設計人員根據實際短波紅外線波長和系統要求評估基板特性，而不是強迫每個設計都採用相同的材​​料平台。

為了進行品質驗證，ECOPTIK 使用 ZYGO 雷射干涉儀、ZEISS CMM Spectrum 和 Agilent Cary 7000 UMS 進行測試和產品報告。這些功能支援客製化光學製造過程中的尺寸、光學和光譜驗證。

因此，對於短波紅外線相機製造商、機器視覺公司、工業檢測設備製造商、研究機構和紅外線成像系統整合商來說，最有用的供應商討論應該從成像要求而不是目錄模型開始。透過先定義目標波長、偵測器、焦距、F/#、視場、工作距離、環境條件和所需的影像質量，製造商可以確定合適的材料、光學結構、鍍膜、製造公差和測試要求，並提供可根據實際工程範圍進行評估的短波紅外線鏡頭價格。