Ein Leitfaden zur kosteneffektiven Integration von Thermolinsen: Was Sie für Verteidigungs- und autonome Fahrzeuganwendungen wissen sollten

In völliger Dunkelheit, durch Rauch, Blendung und Nebel, ist die IR-Bildgebung (Thermoinfrarot) für moderne Verteidigungs- und autonome Systeme unerlässlich. autonome Fahrzeuge (AVs) in die Lage versetzen, Fußgänger oder Bedrohungen in der Nacht zu erkennen oder kritische Erfassungsfähigkeiten für unbemannte Luftfahrzeuge und Gegen-UAS-Betriebe bereitzustellen, ist die Thermografie zu den wesentlichen „Augen“ geworden, wenn sichtbare Kamerasysteme ausfallen.

Bei der Ausrichtung eines IR-Kamerasystems an einer Anwendung ist das sorgfältige und richtige Objektivdesign von entscheidender Bedeutung. Wie sichtbare Kameras sind auch die Bildgebungsfunktionen einer Wärmebildkamera zu einem großen Teil von den Eigenschaften der Objektivbaugruppe abhängig – sie wirkt sich auf Kosten, Produktionszeit und vor allem auf die Leistung aus.

Die Rolle der Optik bei der IR-Bildqualität

Sichtbare Kameralinsen bestehen aus mehreren Elementen mit unterschiedlichen Gläsern, um Abweichungen zu mindern und unter breiten Bedingungen ein scharfes Bild zu erzeugen. Thermoobjektive verwenden einzigartige Objektivstrukturen und -materialien, unterscheiden sich jedoch aufgrund von Detektorbeschränkungen und Materialbeschränkungen von denen, die in sichtbaren Digitalkameras verwendet werden.

Mittelwellen-IR- (MWIR) und Langwellen-IR- (LWIR) Detektoren erfassen viel längere Wellenlängen, die von warmen Objekten emittiert werden. Die Pixel des IR-Detektors sind groß und die Kosten für die Herstellung selbst von fokalen Ebenen-Arrays mit niedriger Auflösung sind weit höher als bei sichtbaren Kameras. Das Design der thermischen Linse muss eine effektive Nutzung jedes Pixels sicherstellen, damit die Bildqualität nicht durch die Linse beeinträchtigt wird, insbesondere in Verteidigungs- und AV-Anwendungen.

Herkömmliche Gläser blockieren IR-Strahlung, sodass thermische Systeme spezielle Linsenmaterialien wie Germanium, Silizium, Zinkselenid oder Chalkogenidglas erfordern. Diese Materialien übertragen MWIR- und LWIR-Wellenlängen mit minimalem Signalverlust, während Antireflexbeschichtungen die Oberflächenreflexionen weiter reduzieren, um die IR-Übertragung zu maximieren.

Insgesamt müssen Thermoobjektive sehr effizient sein, um Licht zu sammeln und die Auswirkungen von Umweltfaktoren zu mindern, während eine begrenzte Menge von Objektivmaterialien verwendet wird, um ein kontrastreiches Bild auf das Detektorarray zu projizieren.

Tabelle 1: Wellenbänder und Linsenmaterialien

Wichtige optische Überlegungen für MWIR- und LWIR-Kameras

Im Folgenden finden Sie die wichtigsten optischen Begriffe für Wärmebildkameras sowie Definitionen der optischen Spezifikationen oder Anforderungen, die für die richtige Dimensionierung der Leistung für die Anwendung entscheidend sind.

Brennweite, FOV und IFOV: Die Brennweite bestimmt das Sichtfeld (FOV), die Gesamtheit einer Szene, die eine Kamera auf der Sensor-Fokusebenenanordnung erfassen kann. Kürzere Brennweiten bieten Weitwinkelansichten, längere hingegen schmale, vergrößerte Ansichten. Instantaneous Field of View (IFOV) stellt das kleinste erkennbare Detail pro Pixel dar. Fokuslänge gleicht Szenenabdeckung (FOV) und Feindetailauflösung (IFOV) aus.

Abbildung 1. Visualisierung von Sichtfeld und Brennweite (Bild: Teledyne FLIR OEM)

F/Nummer und Übertragung: F-Zahl (f/#) ist das Verhältnis der Brennweite zum Öffnungsdurchmesser, das die Menge des gesammelten Lichts steuert. Außerdem ist die Lichtbeugung, die das Bild verwischt, proportional zur Wellenlänge multipliziert mit der f/#. Ein niedrigerer F/# bedeutet eine größere Blende und eine bessere Lichteffizienz sowie weniger Unschärfe durch Beugung. Die Übertragung misst die Wärmestrahlung, die den Sensor erreicht. Sowohl niedrige F/#- als auch hohe Übertragung sorgen für starke Sensorsignale, obwohl niedrige F/#-Werte das Gewicht, die Komplexität und die Kosten der Linse erhöhen.

Abbildung 2. F/# Darstellung (Bild: Teledyne FLIR OEM)

Modulationsübertragungsfunktion (MTF): Quantifiziert die Kontrastwiedergabe bei verschiedenen räumlichen Frequenzen. Eine höhere MTF erzeugt schärfere Bilder und eine bessere Erkennung geringfügiger Temperaturunterschiede zwischen benachbarten Pixeln.

Standard- oder Neuimaging-Konfiguration: Einige LWIR- und fast alle MWIR-Fokusebenen werden während des Betriebs auf niedrige Temperaturen gekühlt, was ein Dewar-Gehäuse um die Fokusebene erfordert. Daher muss der Linsenanschlag in der Nähe des Dewar-Fensters positioniert werden. Dies erfordert in der Regel eine erneute Bildgebung der Linsenkonfiguration.

Abbildung 3. Ungekühlte Detektoren (links) Verwenden in der Regel Standardlinsensysteme und gekühlte Detektoren (rechts) Erfordern in der Regel eine Neubildgebungslinse (Bild: Teledyne FLIR OEM)

Wellenband: Während beide Bänder Wärmestrahlung erkennen, erreicht die Körperwärmeemission im LWIR ihre Spitzen. Außerdem arbeiten LWIR-Kameras oft bei Raumtemperatur, wenn sie mit einer niedrigen 1/#-Linse verbunden sind. MWIR-Kameras erfordern gekühlte Fokusebenen und sind für die Erkennung von Wärmequellen wie Motoren oder Maschinen überlegen. Ihre überlegene Empfindlichkeit ist mit hoher Komplexität und hohen Kosten verbunden, einschließlich der Neubildgebung von Linsenkonfigurationen. Dennoch sind die Anforderungen an die Anzahl der Stückzahlen entspannt, und weitere optische Materialien sind in MWIR verfügbar.

Drei Herausforderungen beim Design von Primärlinsen bei der Wärmebildgebung

Thermische Systeme stehen vor drei Hauptherausforderungen: Wellenlängeneffekte, Anforderungen an das Wärmemanagement und Einschränkungen der Lieferkette.

Beugung ist die Ausbreitung von Wellen am Linseneintritt, die die Bildschärfe an der fokalen Ebenenanordnung beeinflusst. Wenn die Detektorpixel kleiner werden, schrumpft die Linse f/#, die erforderlich ist, um den Bildkontrast zwischen benachbarten Pixeln zu gewährleisten. Die kürzeren Wellenlängen von MWIR weisen weniger Beugung auf, sodass F/3-F/5-Blenden, die die höhere Empfindlichkeit gekühlter Detektoren ergänzen, einen akzeptablen Pixelkontrast oder MTF erzeugen. Durch das Weichzeichnen der Beugung von LWIR sind breitere F/1-F/2-Blenden erforderlich, um einen Pixelkontrast zu erzielen; die größeren Erfassungsöffnungen kompensieren auch die geringere Photonenempfindlichkeit ungekühlter Sensoren.

IR-Linsenmaterialien sind temperaturempfindlich. Sofern nicht kontrolliert, kann sich die beste Fokusposition bei kleinen Temperaturänderungen verschieben. Wärmebildkameras müssen jedoch ein scharfes Bild über einen sehr weiten Temperaturbereich liefern. Die Linsen konzentrieren sich durch zwei Designansätze. Die passive Athermalisierung verwendet optische und mechanische Materialien mit kompensierender Wärmeausdehnung zur Stabilisierung des Fokus, ideal für kompakte, leichte Systeme. Bei der aktiven Athermalisierung werden Temperatursensoren eingesetzt, die eine motorisierte Fokuseinstellung steuern. Dies ist für größere Systeme geeignet, bei denen ein motorisierter Fokus für die Bereichskompensation verwendet wird.

IR-Linsenmaterialien sind entweder hochreine Industriekristalle oder Chalkogenidgläser, alle mit komplexen internationalen Lieferketten. Lieferkettenschwachstellen verstärken alle oben beschriebenen technischen Herausforderungen. Die Lieferung von Germanium hängt von Raffineriebetrieben in bestimmten Ländern ab. Chalcogenid-Brillen benötigen breiter gefassten kommerzialisierten Schwefel, Selen, Arsen und Tellur, aber die Glasherstellung ist geografisch immer noch begrenzt. Da die meisten IR-Materialien Lieferengpässen mit geopolitischen Risiken unterliegen, sind die Diversifizierung von Quellen und die Entwicklung von Minderungsstrategien für die nachhaltige Produktion von IR-Linsen unerlässlich.

Auswahlkriterien für Linsen: Fester vs. kontinuierlicher Zoom

Die Wahl zwischen Objektiven mit festem Sichtfeld oder kontinuierlichem Zoom (CZ) stellt eine grundlegende Designentscheidung dar, die sich auf Kosten, Komplexität und Betriebsfähigkeit auswirkt.

Abbildung 4. Feste LWIR-Kameramodule (links) und CZ glasgekühlte MWIR-Kameramodule (rechts) (Bild: Teledyne FLIR OEM)

Feste FOV-Objektive bieten eine einfache Einzelfokallänge mit weniger beweglichen Teilen, was sie leichter, erschwinglicher und zuverlässiger macht als Zoom-Objektive. Viele dieser Linsen sind passiv athermalisiert, daher wird der Fokus auf der Fabrik eingestellt und muss vom Kunden nie angepasst werden. Weitwinkelkonfigurationen (> 60^°) erfassen breitere Szenen mit reduzierten Details, während Designs mit mittlerer Brennweite (10^°-50^°) ein Gleichgewicht zwischen Abdeckung und Vergrößerung schaffen. Tele-Varianten (<8^o) bieten eine höhere Vergrößerung und IFOV, die in der Lage sind, sich in großer Entfernung zu identifizieren, erfordern aber aufgrund einer erhöhten Bewegungsempfindlichkeit eine größere Stabilisierung.

CZ-Objektive ermöglichen eine dynamische FOV-Einstellung durch ausgeklügelte bewegliche Linsengruppen, die den Fokus beibehalten und gleichzeitig die Brennweite über Bereiche wie 14–75 mm oder 50–1000 mm hinweg ändern, ideal für eine dynamische Umgebung, die ein großes FOV und Minuten-IFOV erfordert. Diese betriebliche Flexibilität ist mit erheblich erhöhter Komplexität und höheren Kosten verbunden. IR-CZ-Objektive haben eine deutlich höhere Anzahl an Komponenten sowie eine motorisierte Zoom- und Fokusbetätigung, die eine Steuerelektronik erfordert.

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Abbildung 5. Gefaltete MWIR 25-250 CZ-Objektive (links) und MWIR 15-300 CZ-Objektive (rechts) (Bild: Teledyne FLIR OEM)

Zusammenfassend müssen Systemingenieure die Anwendung bewerten und die Bildqualität, Kostenbeschränkungen und Flexibilitätsanforderungen in Einklang bringen, um die am besten geeignete Objektivkonfiguration für eine IR-Kameraanwendung zu bestimmen.

Optimierung von Leistung und Empfindlichkeit

Die Effizienz der Linsenlichterfassung wirkt sich direkt auf die rauschäquivalente Temperaturdifferenz (Noise Equivalent Temperature Difference, NADE) aus, die wichtigste Empfindlichkeitsmetrik für MWIR- und LWIR-Kameras. NEdT misst die kleinste nachweisbare Temperaturdifferenz in Milli-Kelvin. Beispielsweise ist eine f/1.0 LWIR-Kamera mit einem NEdT von 20 mK 2,5-mal empfindlicher als eine f/1.55-Kamera bei 50 mK, obwohl die Empfindlichkeit bei NEdT nicht streng linear ist.

Optisches Design beeinflusst die Kameraleistung grundlegend. Niedrigere f/#-Werte ermöglichen eine höhere Energieübertragung, wodurch die Bildklarheit und Empfindlichkeit verbessert werden. Elementmaterialien und AR-Beschichtungen müssen die Infrarotstrahlung maximieren, die den Detektor erreicht. Hochwertige Gläser mit minimalen Aberrationen gewährleisten eine hohe MTF, während die Brennweite die Vergrößerung und den Erfassungsbereich festlegt.

Zukünftige Ausblicke und Überlegungen zur Integration

Die Entwicklung thermischer Linsen entwickelt sich weiter zu kleineren, leichteren und kostengünstigen Designs und reduziert gleichzeitig die Abhängigkeit von seltenen Materialien wie Germanium für wirtschaftliche Nachhaltigkeit. Dieser Fortschritt wird die Verwendung von Wärmebildgebung in AV- und Verteidigungsanwendungen erweitern, um durch die Dunkelheit sowie durch Verdunkelungsmittel wie Nebel oder Rauch zu sehen.

Eine erfolgreiche Integration erfordert das Verständnis der grundlegenden Beziehungen zwischen der Wahl des optischen Designs und der Systemleistung. Materialbeschränkungen, wellenlängenspezifische Effekte und Anforderungen an das Wärmemanagement schaffen Wechselwirkungen, die sich auf jeden Aspekt der Systemfähigkeit auswirken. Ob bei der Entwicklung von Verteidigungssystemen, autonomen Fahrzeugen oder industriellen Überwachungslösungen – ein optimales optisches Design bleibt entscheidend für die Maximierung der Effektivität der Wärmebildgebung.

Weitere Informationen finden Sie unter https://oem.flir.com/categories/infrared-lenses/.