MATERIALIEN UND OBJEKTIVE FÜR INFRAROTANWENDUNGEN. Dipl.- Phys. Konrad Hentschel Sill Optics GmbH & Co. KG

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1 MATERIALIEN UND OBJEKTIVE FÜR INFRAROTANWENDUNGEN Dipl.- Phys. Konrad Hentschel Sill Optics GmbH & Co. KG

2 GLIEDERUNG 1. Verfügbare Materialien 2. Spezielle Eigenschaften der IR Materialien 3. Optische Anforderungen an IR Optiken 4. Design Typen 5. AR Schichten

3 VERFÜGBARE MATERIALIEN KRISTALLE CHALKOGENID AMORPH Germanium IRG GASIR Silizium IG1...6 AMTIR1 ZnS As2S3 ZnSe GaAs CAF2 Saphir BAF2

4 RELEVANTE GLASEIGENSCHAFTEN - Brechungsindex und Dispersion - Transmission im geforderten Wellenlängenbereich - Empfindlichkeit des Glases (Härte und Resistenzklasse) - Wärmeleitfähigkeit

5 Transmission in %

6 VERFÜGBARE MATERIALIEN IR Material N(3 um) N(4um) N(5um) N(7 um) N(10 um) Knoop Hardness Thermal Conducitivity dn/dt kg/mm² W/m*K Germanium 4,044 4,025 4,016 4,008 4, ,9 426 Silizium 3,432 3,425 3,422 3,419 3, ZnS 2,257 2,252 2,247 2,232 2, ,7 49,8 ZnSe 2,437 2,433 2,429 2,422 2, ,7 CAF2 1,418 1,409 1,399 1,369 1, ,7-11,5 Saphir 1,712 1,675 1,624 6,65 BAF2 1,461 1,456 1,451 1,435 1, ,3 IRG ,51..2, ,3..1,1 IG1..6 2, ,33 GASIR 2,514 2,51 2,507 2,502 2,494 NA 0,28 55 AMTIR1 2,519 2,514 2,511 2,506 2, As2S3 2, ,17 GaAs 3,31 3,306 3,301 3,292 3, ,37 157

7 OPTISCHE ANFORDERUNGEN AN EIN IR OBJEKTIV - Lichtstärke typische F-Zahl eines IR Objektivs ist 1,0 1,8 Kaltblende wird oft durch die Kamera vorgegeben - Farbkorrektur für den Wellenlängenbereich NIR: 1 3µm Mittleres NIR: 3 5µm FIR: 7 12µm - Bildwinkel bzw. Verzeichnung

8 OPTISCHE ANFORDERUNGEN AN EIN IR OBJEKTIV - Auflösung Durch die großen Wellenlängen ist die Beugungsgrenze erhöht und die max. erzielbare Auflösung geringer D= 1,87 *λ* F# Daher sind relativ große Pixel für Infrarotkameras ausreichend (25 bis 35µm) Bei einer Wellenlänge von 5µm ergibt sich für ein Pixelfeld von 50 µm x 50µm eine Nyquistfrequenz von 10 lp/mm

9 OBJEKTIVTYPEN A. Singlet Design (f=50mm, F=1,5) - Einfache Temperatur- und Leck such Applikationen GERMANIUMLINSE Vorteil: - geringe Kosten - transmittiert kein Licht unter 1,8µm - Brennweite wird über den geforderten Bildwinkel definiert

10 OBJEKTIVTYPEN A. Singlet Design (f=50mm, F=1,5)

11 OBJEKTIVTYPEN A. Singlet Design (f=50mm, F=1,5) GERMANIUMLINSE Nachteil: - MTF fällt schon bei 3,5 lp/mm auf 50% ab - 100µm Farbfehler für eine Wellenlänge von µm, bei einer Pixelgröße von 25µm ergibt sich ein Farbfehler über 4 Pixel - die sphärische Aberration liegt bei 800µm, kann durch eine Asphärisierung korrigiert werden

12 OBJEKTIVTYPEN A. Singlet Asphärisch (f=50mm, F=1,5)

13 OBJEKTIVTYPEN B. Doublet Design (f=50mm, F=1,5) - Farbkorrektur gefordert Kombination aus GERMANIUM und CALCIUMFLUORID Vorteil: - verbesserter Farbfehler bei 40µm Nachteil: - Bildfeldwölbung und Astigmatismus limitieren Auflösung im Randbereich Diese Systeme sind für länger brennweitige Objektive gut geeignet. Durch die große Brennweite wird der Bildfeldwinkel klein gehalten.

14 OBJEKTIVTYPEN B. Doublet Design (f=50mm, F=1,5)

15 OBJEKTIVTYPEN C. Triplet Design (f=50mm, F=1,5) - alle Fehler ausreichend korrigiert - Bei 5 lp/mm zeigt sich ein Abfall von 5% - Der verbleibende Farbfehler liegt bei 20µm - Bildfeldwölbung ist korrigiert - Es bleibt ein geringer astigmatischer Restfehler, der im Bereich der Pixelauflösung liegt.

16 OBJEKTIVTYPEN C. Triplet Design (f=50mm, F=1,5)

17 OBJEKTIVTYPEN D. Multi Element Design (f=15mm, F=1,5) - Weitwinkelobjektiv mit 15mm Brennweite - Bildfeldwölbung (0,1mm) - Astigmatismus - chromatische Aberration (20µm) - Distorsion(0,12%) und - sphärische Aberration sind über den Bildwinkel von +-20 sehr gut korrigiert Für hochauflösende Kameras mit einer Sensordiagonale von 11mm geeignet

18 OBJEKTIVTYPEN D. Multi Element Design (f=50mm, F=1,5)

19 ANTIREFLEXBESCHICHTUNG (AR) - Hohe Brechungsindizes bedingen einen starken Rückreflex an den optischen Grenzflächen

20 HARD CARBON COATING - Durch die hohe Anzahl der Schichten ist die Antireflexvergütung relativ weich - Hard Carbon Schicht transmittiert nur 95% pro Fläche

21 AR Schicht für MWIR auf ZnSe - Verbesserte Transmission über den gesamten Wellenlängenbereich

22 AR Schicht für FLIR auf ZnSe - Verbesserte Transmission über den gesamten Wellenlängenbereich

23 ZUSAMMENFASSUNG - Für IR Objektive sind viele Randbedingungen zu beachten, ein Standard Objektiv ist kaum möglich - Jeder Kamerahersteller hat andere Spezifikationen und Interface - Herausforderung: spektrale Bandbreite und immer besser werdende Auflösung der Detektoren - Asphärentechnik erlaubt die Abbildungsqualität zu verbessern

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