选择页面

选对滤波片,是降低中波红外 (MWIR) 设备成本并缩短其上市时间的关键。

对中波段(也称中波)红外线 (MWIR) 光的利用在很多领域都非常重要,包括设备和家庭的温度监控、气体吸收、用于对车辆/人/地形成像的军用视觉增强系统以及气体环境检测等。在其他的应用场景中,甚至是奶牛的怀孕诊断也可以有效利用 MWIR 波段范围内的红外线。

对于任何类型的红外 (IR) 光学系统而言,光学滤波片对 MWIR 硬件设备的成功均至关重要。它们允许所需波长透射而过,并阻挡住其他波长。不过,工程师和设计师们有时会提供过于严苛的滤波技术规范,而忘记考虑可能已被设计中的其他零件所满足的需求。结果就是设计变得愈发难以完成,上市前所耗费时间也更久,且非必要费用更高。

通过在设计伊始接受明智建议、在设计过程中进行一些简单的适应性变更,公司即可在达成目标的同时节省时间和金钱。

MWIR 滤波片

MWIR 滤波片是一种在 MWIR 波段(介于 3 到 6 微米)运行的光学设备。滤波片包含具备多层薄膜结构的基底。该结构可允许所需的 IR 波长透射,同时阻挡其他波长。MWIR 滤波片通常是带通过滤或缘通过滤,其波长选择性改善了 MWIR 成像或探测器系统中的信噪比。
滤波片可以使得应用接收到其正常运行所需的波长。有大量的关键特性可影响到滤波片对应用所需的提供能力。这些特性包括:表面品质、透射及阻挡的波长范围、经过滤波片的 IR 总能量,以及在应用运行环境中保持上述特性的能力。为了严格控制滤波片特性,制造商必须使得滤波片的制造正确符合应用设计规范。

表面品质

表面品质和表面缺陷问题会影响成像质量。有时表面缺陷的影响并不重要,比如应用场景仅需计数 MWIR 光出现次数的时候。有时这一影响会变得尤为重要。在将 MWIR 转化为人眼可见图像的成像应用场景中,缺陷可能会影响更大,因为图像质量本身就很关键。

但是设计师们却通常会出于习惯或假设,采用的表面品质规范远比必要水平的严格。MWIR 波长比可见光频谱要长得多。实际上,在环境光源中裸眼可见的缺陷在 MWIR 光下是不可见的,其波长过长导致无法分辨缺陷。即便是应用中包含成像过程,表面品质也通常属于“超规格”。在滤波片表面品质超过规格标准时,其产量会大幅下降,从而推高了最终滤波片的成本。

透射特性

滤波片允许透射和进行阻挡的波长组合是其预期功能的核心。根据应用场景设计,要透射 MWIR 范围内及其临近波长段的应用场景可能需要带通滤波片。其他应用场景可能需要长波(允许波长大于特定值的光线透射)或短波(允许波长小于特定值的光线透射)滤波片。
不过,透射光量会随着波长范围的收窄而减少。在滤波片的特定波长透射波段和可穿过滤波片的 IR 总能量以满足给定设计要求之间,制造商必须不断寻求其平衡点。例如,传感器就需要接收到一定的能量才能发挥作用。如果滤波片不能透射过足以达到传感器技术要求的 IR 能量,其设计也就起不到效果。在提供更优波长选择性透射的同时,限制透射带通范围也会减少可透射的总潜在光量。因此,这有时会削弱
探测器的功能。

环境因素

滤波片还必须在应用场景环境内工作。在生产工厂的温度或湿度水平中可以保持稳定的镀膜,面临实际使用条件下可能就无法正确生效了。

滤波片构造

滤波片进行镀膜时的生产方法选择,对控制滤波片能力有重要影响。用于镀膜 MWIR 滤波片最为常见方法是真空蒸发镀膜。在该生产流程中,先加热镀膜材料使其成为气态,然后令其凝结在基片上。另外一种方法,也是 Iridian 所采用的方法,即高能溅射沉积。虽然这一技术在诸如可见光或近红外 (NIR) 波段内很常见,但很少用于满足 MWIR 范围内的需求,因为它必须使用可透射 MWIR 波段光线的镀膜材料。相比蒸发镀膜,溅射镀膜具有一些强大优势。组合滤波片的环境耐用性很强,且制造商在最终
光谱特征上的掌控度也很高。

常见滤波片问题

除了在性能特性方面的权衡利弊,设计选择还可能有意想不到的结果。虽然 MWIR 滤波片在多种行业内均很常见,但即便是经验丰富的设计师,也可能会在其设计和滤波片技术要求中制造出不必要的生产挑战。

在更高层面上讲,设计师的思考方式可能更像是科学家,而非工程师。他们会考虑理论上的完美之物,却忘记一点:现实世界状况可以容忍不那么完美的选择。这样考虑的后果就是,过于严苛的技术规范和不必要的成本。
例如,设计师们通常会对滤波片表面有更严格的缺陷技术规范。在探测和非完全成像类的应用场景中,如有足量的 IR 光线依然能到达探测器且信噪比并未降低,则这样的表面品质规范可能并无根据。恰到好处的设计取决于其应用场景。在必须对显示器上的物体进行识别并做出反应动作的军用成像系统中,图像的完整性则会更加重要。而在很多其他的应用场景中,例如 MWIR 气体探测,这一点可能无关紧要。

另外一种在设计阶段缺乏沟通可能导致问题的方式,则是通过一类假设:把一个大型滤波片分割为多个小滤波片,可以比直接要求正确尺寸的滤波片更省钱。这可能导致对大型零件的均匀度特性要求过高,反而成为推高成本的根本原因。虽然选择对设备设计而言尺寸正确的滤波片可能在生产制造流程中增加成本,但比起涉及完全适应大型零件生产的成本,其本质上仍然成本更低。即便是定制生产,其成本也可能远比这一假设的成本更低。

系统硬件的其他方面可能对滤波片的设计和要求产生影响。IR 探测器有其自身运行所需的特定波段范围。该范围以外的光线不会被探测器记录。在滤波片设计领域,这种限制因素通常会成为一种有益特征。

举例来说,如探测器对波长低于 2 微米的光线无反应,那么再将滤波片设计为可阻挡 1 到 2 微米间的所有波长则纯属浪费金钱。

在设计过程中尽早考虑滤波片可能导致光路布局的重新设计,这可以在很大程度上影响滤波片的复杂度、成本以及可达到的性能。修改光路中滤波片的尺寸和位置,在有些情况下对探测器位置和光束路径重新进行设计制造,都可能会影响到整个工业设计和设备的运行状况。探测技术中的一项变动,有时可以产生一个效率更优的最终产品。

理解实际需求,设计出能够平衡技术与商业要求的滤波解决方案,则可避免在滤波片制造中可能产生的问题。制造工艺可能会对满足设计规范的难度产生积极或消极的影响,对定制设计的周转时间也有很大影响。Iridian 从接受订单到产品交付的标准周转时间为六到八周。不与系统设计师近距离协作且未考虑到生产复杂度的滤波片制造商,在成功完成滤波片制造的过程中可能会遭遇意外延误。这一结果可能导致整个项目延误,一些情况下可达数月之久,推迟了上市时间。

滤波设计解决方案

设计过程中的微小改动和增补可有助于排除很多上述类型中的问题。
设计师应在设计过程中尽可能早地考虑滤波需求。硬件也不应该成为可以独立运行的黑箱混合体。在考虑各个元件对整个项目的交互影响时,采用系统工程方法。会有很多可以增加的优势,如利用探测器的技术规格,帮助限制滤波片所
必须阻挡的波长。

接下来考虑应用场景的可替代设计。布局修改、不同的探测器、或另一种变化,均可改善性能并降低成本。

最重要的是,将滤波片销售商视为合作者和伙伴。在设计过程伊始就开始咨询。滤波片设计和制造的专家能够根据与滤波片能力和限制相关的既往经验和专业知识,提出非常重要的问题。当然最好是在他们提出问题前就将问题解决,以节省时间和金钱。
任何设计总有其内在的挑战。但先将其中不必要的排除除去,即能释放更多的资源来集中处理剩下的挑战。