Германий против халькогенидного стекла в ИК-оптике

Почему выбор вообще есть

Обычное стекло длинноволновое ИК-излучение не пропускает: диапазон 8–14 мкм для него непрозрачен. Поэтому линзы тепловизионных объективов делают из других материалов — монокристаллического германия, халькогенидных стёкол, реже из селенида цинка и кремния.

Германий десятилетиями был безальтернативным: высокое пропускание и очень высокий показатель преломления около 4,0 позволяют собрать светосильный объектив из малого числа линз.

Халькогенидные стёкла — сплавы селена, мышьяка и германия в разных пропорциях — появились как ответ на массу и сложность обработки германия. Их можно формовать прессованием, а не точить из кристалла, и это меняет экономику производства.

Где разница видна в характеристиках

Главный козырь германия — показатель преломления. Чем он выше, тем сильнее гнёт лучи одна поверхность, тем меньше линз нужно и тем короче получается объектив при том же фокусном.

Главная слабость германия — температурный дрейф. Показатель преломления заметно меняется с температурой, поэтому объектив расфокусируется при нагреве и требует термокомпенсации, механической или программной.

Ещё одна особенность: при нагреве выше примерно 100 °C германий начинает поглощать собственное излучение и пропускание падает. Для оптики, работающей рядом с горячим двигателем, это имеет значение.

Что выбрать под задачу

Длиннофокусная оптика на дальность — германий. Там, где нужны 50, 75 или 100 мм фокусного при разумных габаритах, высокий показатель преломления решает: собрать то же самое на халькогениде выйдет длиннее и тяжелее.

Массовый короткофокусный объектив на дрон — халькогенид. При фокусных 9–19 мм разница в габаритах невелика, зато меньше вес и температурный дрейф, а линзы прессуют в тираже.

Гибридные схемы встречаются чаще всего: силовая линза из германия плюс корректирующая из халькогенида. Так собирают и дальность, и температурную стабильность, не платя за полностью германиевый комплект.

Отдельно проверяйте просветляющее покрытие: без него любой из этих материалов теряет половину света на отражениях, и разница между материалами становится вторичной.

Сколько уходит фокус при нагреве

Фокусное расстояние линзы меняется с температурой пропорционально величине (dn/dT) / (n − 1) − α, где α — коэффициент расширения материала. Для германия это около 126 ppm/K, для халькогенидного стекла типа AMTIR-1 — около 36 ppm/K.

Для объектива 50 мм при нагреве на 40 °C это смещение фокуса около 0,25 мм у германиевой линзы и около 0,07 мм у халькогенидной, а глубина резкости на матрице при F/1 и длине волны 10 мкм — всего ±0,02 мм. Без компенсации расфокусируются оба, но германиевому объективу она нужна сильнее.

В паспортах части объективов из нашего каталога материал указан как «германий или халькогенидное стекло IG206»: он зависит от исполнения. Если объектив будет работать в широком диапазоне температур, материал и атермализацию уточняют при заказе.