Оптическая линза

Когда говорят про оптические линзы, часто представляют идеально отполированные стекляшки для фотоаппаратов. Но в нашем сегменте — бесконтактном измерении температуры — всё иначе. Тут линза должна пропускать ИК-излучение, а это значит, что обычное стекло не подходит. Мы в ООО ?Шэньян Тэнъи Электроникс? через это прошли: сначала думали, что адаптируем готовые решения, а оказалось — нужны специализированные материалы вроде германия или селенида цинка. И даже с ними — свои нюансы.

Почему не всякая линза работает в ИК-диапазоне

Помню, как на заре пробовали ставить стандартные кварцевые линзы в пирометры. Вроде бы логично — кварц термостойкий. Но КПД падал на 30-40%, потому что в нужном диапазоне (8–14 мкм) прозрачность была никакая. Пришлось разбираться с коэффициентом пропускания для разных материалов. Германий, например, хорош, но дорог и хрупок — на виброиспытаниях трескался. Селенид цинка прочнее, но боится абразивов — при монтаже царапался.

Ещё момент — покрытия. Антибликовые просветляющие слои для ИК-линз наносить сложнее: толщина напыления должна быть точной до нанометра, иначе вместо подавления бликов получишь дополнительные погрешности. Как-то партия в 200 штук ушла с завода с перекалиброванным напылением — и клиенты жаловались на скачки в ±5°C при стабильных процессах. Вернули, переделали.

Сейчас для серийных моделей на сайте https://www.tengyidianzi.ru используем линзы из монокристаллического кремния с многослойным просветлением — оптимально по цене и стабильности. Но для высокотемпературных применений (выше 900°C) возвращаемся к германию, хоть и дороже.

Расчёт линз под реальные условия, а не идеальные схемы

В теории всё просто: фокусное расстояние, апертура, разрешение. На практике — линза может ?поплыть? от перепадов температуры в цеху. Был случай на металлургическом комбинате: пирометр с германиевой линзой показывал расхождения с термопарами. Оказалось, при +80°C геометрия линзы менялась на микроны, но этого хватало для сдвига фокусной плоскости. Пришлось вводить температурную поправку в прошивку.

Другая частая ошибка — не учитывать запылённость. Линза с идеальной оптикой в чистой лаборатории и та же линза в литейном цехе — два разных прибора. Мы стали добавлять съёмные защитные окна из фторида кальция, но их надо регулярно чистить — клиенты иногда забывают, потом жалуются на ?внезапную поломку?. Теперь в инструкции пишем жирным шрифтом: ?протирать раз в смену?.

Расчёт светосилы — отдельная тема. Для точного измерения мало собрать излучение, нужно, чтобы линза не вносила дисторсию. Инженеры долго спорили, стоит ли использовать асферические линзы для коррекции аберраций. В итоге для большинства задач хватает сферических, но для пирометров с узким полем зрения (точечных) перешли на асферику — дороже, но погрешность снизили с 2% до 0.5%.

Сборка и юстировка: где теряется точность

Даже с идеальной линзой можно испортить систему на этапе сборки. Посадочные места под линзы в корпусе должны быть выдержаны с допуском ±0.01 мм — иначе ось смещается, и ты ловишь не температуру объекта, а блики от соседнего оборудования. Как-то пришлось переделывать партию корпусов из-за фрезеровки ?в минус? — линзы болтались, показания прыгали.

Клей для фиксации линз — отдельная головная боль. Эпоксидные составы сначала применяли универсальные, но они старели от ИК-нагрева, мутнели через год. Перешли на силиконовые термостойкие — держат до 200°C, но сложнее в нанесении: если переборщить, клей вытекает на рабочую поверхность линзы. Приходится обучать монтажников настраивать дозаторы.

Юстировка под углы обзора — та ещё задача. Для широкоугольных пирометров линзу нужно выставлять так, чтобы края поля не ?заваливались?. Используем коллиматоры с ИК-камерами, но в полевых условиях (например, при установке на конвейер) юстируют на глаз по мишени — и тут уже зависит от навыка монтажника. Не раз выезжали на объекты, чтобы перенастроить линзы после неквалифицированного монтажа.

Полевые испытания: что не скажут в лаборатории

Лабораторные тесты — это одно. А вот когда пирометр с новой линзой ставят рядом с плавильной печью, начинаются сюрпризы. Например, тепловые потоки от раскалённого металла создают конвекцию, которая искажает оптический путь. Линза вроде чистая, а показания ?плывут?. Пришлось для таких случаев разрабатывать кожухи с принудительным обдувом — просто, но эффективно.

Ещё история с химической стойкостью. На химическом заводе линза из селенида цинка за месяц помутнела от паров кислоты — не учли, что защитное окно должно быть не просто прозрачным, но и инертным. Теперь для агрессивных сред предлагаем окна из сапфира — дорого, но хотя бы не теряем технику.

Вибрации — отдельный кошмар. Линза, казалось бы, жёстко закреплена, но при постоянной тряске (например, на горном оборудовании) крепления разбалтываются. Перешли на пружинные фиксаторы с контргайками — помогло, но прибавило веса конструкции. Клиенты ругаются, но зато не снимают пирометры каждые три месяца для подтяжки.

Эволюция подходов в ООО ?Шэньян Тэнъи Электроникс?

Раньше мы покупали готовые линзы у сторонних поставщиков, но сталкивались с партиями с нестабильными параметрами. С 2018 года сами контролируем шлифовку и полировку для критичных моделей. Это дороже, но зато знаем, что каждая линза перед установкой в пирометр проверена на спектрофотометре — никаких сюрпризов с пропусканием.

Сейчас экспериментируем с гибридными линзами — комбинируем германий и халькогенидные стёкла. Цель — снизить стоимость без потери точности. Пока сыровато: в термоциклировании появляются микротрещины на стыках. Дорабатываем технологию спекания.

Из последнего — начали применять линзы с градиентным показателем преломления (GRIN) для компактных пирометров. Позволяют уменьшить длину оптической трассы без потери светосилы. Но пока дороги в производстве — используем только в премиум-сегменте. Если удастся снизить себестоимость, переведём на них всю линейку.

В общем, оптическая линза в ИК-технике — это не просто ?стекло?, а целый комплекс материаловедческих, конструкторских и эксплуатационных задач. И то, что выглядит в каталоге как готовая деталь, на деле требует тонкой подгонки под каждый конкретный случай. Мы на https://www.tengyidianzi.ru это проходили годами — иногда через ошибки, иногда через удачные находки. И до сих пор нет универсального решения — каждый новый заказ заставляет перепроверять расчёты и смотреть на линзу под другим углом. Буквально.