оптический прибор из двух линз или стекол

Когда говорят про оптические приборы из двух линз, многие сразу представляют себе школьный микроскоп или театральный бинокль — но в реальности всё куда интереснее, особенно когда речь заходит о промышленных применениях. Вот, например, в инфракрасных пирометрах, с которыми мы работаем в ООО Шэньян Тэнъи Электроникс, часто используется именно двухлинзовая схема, и тут начинаются тонкости, которые в учебниках не опишешь.

Почему именно две линзы, а не одна?

Если брать обычную собранную линзу для ИК-диапазона, скажем, из германия — казалось бы, чего проще. Но на практике одна линза даёт такие хроматические аберрации, что показания пирометра пляшут плюс-минус десять градусов. Приходится добавлять вторую, корригирующую — и вот тут уже начинается подбор материалов.

Мы как-то пробовали ставить две германиевые линзы в пирометр для сталелитейного производства — казалось, логично, коэффициент пропускания в ИК-диапазоне высокий. Но выяснилось, что при температурах выше 800°C германий начинает темнеть, причём неравномерно. Прибор начал врать уже через месяц эксплуатации.

Перешли на комбинацию германий + цинк-селенид — и тут уже появились свои сложности. Цинк-селенид гигроскопичен, при сборке в обычной атмосфере на поверхности линзы появлялась плёнка конденсата. Пришлось разрабатывать технологию сборки в азотной камере — мелочь, а без неё весь оптический прибор превращался в брак.

Проблемы юстировки в полевых условиях

В теории две линзы должны идеально совмещаться по оптической оси. На практике же, когда мы поставляли пирометры на цементный завод под Красноярском, выяснилось: вибрации от дробилок постепенно смещают вторую линзу относительно первой. Показания начинают уплывать, причём медленно — клиент сначала думал, что это технологический процесс меняется.

Пришлось пересматривать конструкцию держателей — вместо алюминиевых втулок поставили бронзовые с тефлоновым напылением. Увеличилась стоимость, зато смещения прекратились. Кстати, это один из тех случаев, когда теоретический расчёт не предсказывает поведение системы в реальных условиях — только опытным путём.

Ещё интересный момент: при сборке мы всегда оставляем микронный зазор между линзами, хотя в учебниках пишут про плотную посадку. Обнаружили, что при температурных расширениях стекло может треснуть, если посадить внатяг. Кажется, очевидно — но сколько приборов было испорчено, пока до этого дошли.

Особенности контроля качества

Каждую пару линз мы проверяем не только на оптическом стенде, но и в термокамере. Важно увидеть, как ведёт себя система при перепадах от -40°C до +80°C — именно в таких диапазонах работают наши пирометры на северных месторождениях.

Запомнился случай, когда партия линз от нового поставщика прошла все лабораторные испытания, а в полевых условиях дала сбой. Оказалось, поставщик экономил на отжиге стекла — оставались внутренние напряжения, которые при резком охлаждении деформировали поверхность. Теперь всегда требуем протоколы термической обработки.

Ещё проверяем линзы на так называемый 'эффект старения' — со временем некоторые сорта оптического стекла мутнеют даже без видимых причин. Особенно это критично для ИК-приборов, где малейшее помутнение резко снижает точность измерений. Поэтому в ООО Шэньян Тэнъи Электроникс ввели дополнительный тест на ускоренное старение для ответственных заказов.

Нюансы подбора стекол для разных задач

Для высокотемпературных применений (выше 1500°C) мы перешли на сапфировые линзы — дорого, но единственный вариант, который стабильно работает в доменных печах. Правда, пришлось полностью менять технологию полировки — обычные абразивы для сапфира не подходят.

А вот для пищевой промышленности, где температуры ниже, но важна химическая стойкость, используем кварцевое стекло. Но и тут свои сложности — кварц хуже пропускает в ИК-диапазоне, приходится увеличивать диаметр линз, что усложняет конструкцию.

Сейчас экспериментируем с халькогенидными стёклами для специальных применений — у них уникальные свойства в среднем ИК-диапазоне. Но технология обработки очень капризная, пока не можем выйти на стабильное качество. Возможно, через год-два появится новая линейка приборов.

Взаимодействие с измерительной электроникой

Мало собрать хороший оптический прибор из двух линз — нужно ещё согласовать его с приёмником излучения. Мы в Tengyidianzi.ru разработали собственную схему компенсации температурного дрейфа, которая учитывает особенности именно двухлинзовой системы.

Интересный эффект обнаружили: при определённых углах падения излучения между линзами возникают интерференционные полосы, которые искажают показания. Пришлось вводить корректирующие коэффициенты в прошивку пирометров — теперь это стандартная процедура для всех наших приборов.

Сейчас работаем над системой автоматической калибровки, которая учитывает старение линз. Предварительные результаты обнадёживают — возможно, скоро сможем предлагать клиентам приборы с самодиагностикой оптической части. Это особенно важно для удалённых объектов, где обслуживание затруднено.

Перспективы развития

Смотрю на современные тенденции — всё больше клиентов хотят не просто пирометры, а комплексные системы мониторинга. И здесь двухлинзовые системы оказываются идеальным решением: они достаточно компактны для установки в труднодоступных местах, но при этом обеспечивают нужную точность.

В ООО Шэньян Тэнъи Электроникс сейчас как раз запускаем новую линейку многоканальных пирометров, где используется несколько двухлинзовых систем в одном корпусе. Конструктивно сложно, зато один прибор заменяет три-четыре отдельных — для нефтехимии это существенная экономия.

Думаю, в будущем появятся гибридные системы, где классические линзы будут сочетаться с дифракционными элементами — уже экспериментируем в этом направлении. Пока стабильность не идеальная, но потенциал огромный, особенно для точных измерений в узких спектральных диапазонах.