Geavanceerde IR Optical Assemblies voor UAV's ontwerpen

De UAV-industrie is de afgelopen jaren aanzienlijk geëvolueerd en gegroeid. Naast deze groei hebben we de ontwikkeling gezien van UAV's en drones met steeds geavanceerdere infraroodbeeldvormingssystemen, die detectoren bevatten die groter en kleiner zijn in pixelgrootte, wat een uitdaging vormt voor UAV-optica.

De lenskwaliteit moet worden verbeterd om de beeldprestaties te maximaliseren in overeenstemming met de detectormogelijkheden, waardoor zicht met hoge resolutie mogelijk wordt. Drie cruciale factoren moeten altijd worden overwogen om ervoor te zorgen dat de optische assemblage geschikt is voor UAV's en drones; deze staan ​​bekend als SWaP - Grootte, Gewicht en Stroomverbruik. Met andere woorden, de optiek moet compact, lichtgewicht en met een lager stroomverbruik zijn om een ​​maximale vliegtijd mogelijk te maken.

De uitdaging ligt bij optische fabrikanten om optica te ontwerpen en te produceren met een helder, schoon beeld over het gehele zoombereik en een MTF (modulatie-overdrachtsfunctie) die dicht bij de diffractielimiet ligt, terwijl ze voldoen aan strikte SWaP-vereisten. Optica moet ook bestand zijn tegen de zware omgevingsomstandigheden die gepaard gaan met verschillende UAV- en drone-toepassingen, zoals in de defensie-industrie.

Achtergrond

De industrie voor onbemande luchtvaartuigen (UAV) groeit snel, en analisten van Teal Group schatten dat de wereldwijde UAV-productie de komende tien jaar in totaal $ 135 miljard zal bedragen. Als ze zijn uitgerust met krachtige EO/IR-camera's, lenen UAV's en drones zich voor een breed scala aan beeldverwerkingstoepassingen.

De dronemarkt bestaat uit defensie-, overheids- en commerciële toepassingen. Op het gebied van defensie en overheid worden drones ingezet voor militaire en politiesurveillance, grenscontrole, beveiliging en opsporings- en reddingsoperaties. Tussen 2009 en begin 2017 hebben ten minste 347 wetshandhavingsinstanties en hulpdiensten in de VS drones aangeschaft.

In de markt voor commerciële drones is de vraag toegenomen. Commerciële drones met thermische beeldvorming spelen een prominente rol bij het inspecteren van elektriciteitsleidingen, oliepijpleidingen, bosbranddetectie en andere infrastructuren. Dergelijke mogelijkheden worden ook gebruikt om te helpen bij brandbestrijdingsoperaties door branden te lokaliseren en te beoordelen, zelfs als het zicht slecht is.

Aangezien UAV-technologie wordt toegepast in een toenemende verscheidenheid aan geavanceerde taken, zien we een groeiende behoefte om de beeldprestaties te maximaliseren. Specifieke optische behoeften worden geboden door de bovengenoemde toename in detectorresolutie en -grootte, met de bijbehorende afname in pixelgrootte. De productie van kleinere drones voor commercieel gebruik vergroot ook de uitdagingen voor optische fabrikanten.

De oplossing

Lenzen van hoge kwaliteit zijn essentieel om de vooruitgang in detectorprestaties te benutten. Een inferieure lens zal een inferieur beeld produceren, zelfs met de beste detector. Om de hoogwaardige, kleine pixeldetectoren te evenaren, zijn lagere F#'s en nauwere toleranties vereist, waardoor lenzen met minimale aberraties worden gevormd. Om aan deze eisen te voldoen, moeten lenzen ook een lange brandpuntsafstand hebben om beelden van grote afstanden vast te leggen. De nieuwste oplossingen zijn gebaseerd op geavanceerde gevouwen optica en lichtgewicht zoomlenzen, geoptimaliseerd voor de volgende generatie infrarood warmtebeeldsystemen.

Lenzen ontwerpen voor UAV's en drones

State-of-the-art technologieën worden gebruikt om te voldoen aan de optische vereisten van UAV en drones. Deze omvatten innovatieve optische en mechanische ontwerpen, exotische materialen en unieke lensproductie- en coatingtechnologieën.

Continue zoomlenzen pakken de uitdaging met lage SWaP aan terwijl ze hoge optische prestaties behouden. Deze lenzen zijn kleiner en lichter dan het gebruik van meerdere 1-FOV-lenzen. Bovendien zorgt een continue zoomlens voor een betere missieflexibiliteit door veranderingen in vergroting mogelijk te maken tijdens een UAV-operatie.

In samenwerking met defensie- en commerciële klanten heeft Ophir bijvoorbeeld een reeks lichtgewicht, hoogwaardige warmtebeeldzoomlenzen ontwikkeld die speciaal zijn ontworpen voor gebruik in UAV-ladingen, drones en draagbare apparaten. De geavanceerde zoomlenzen gebruiken een geavanceerd optomechanisch ontwerp om ervoor te zorgen dat de lenzen de kleinste, lichtste en meest compacte zijn, terwijl ze toch de hoge niveaus van IR-warmtebeeldprestaties bereiken.

Afbeelding 1(a) toont de LightIR 20-275 mm f/5.5 lichtgewicht zoomlens en zijn opto-mechanische lay-out. Het innovatieve opto-mechanische ontwerp resulteerde in een gewicht van slechts 264 gram. Ondanks de uitdagende SWaP-beperkingen resulteerde het geavanceerde lichtgewicht ontwerp in een hoog niveau van MTF-waarden over het hele veld, zoals weergegeven in figuur 1(b). Bovendien maakte de selectie van geavanceerde materialen unieke athermisatie-eigenschappen mogelijk, waardoor de hoogste prestaties werden behouden bij een brede bedrijfstemperatuur, in het bereik van -35°C tot +65°C.

De eigenschappen van deze lens leiden tot een groot bereik in verhouding tot de lensgrootte en het gewicht. Het detectiebereik van een voertuig van 2,3 m zou bijvoorbeeld ongeveer 15 km zijn indien geïntegreerd met een 23 mK NETD, 15 μm pixeldetector (gebaseerd op FLIR92-modelberekeningen). Voor zover wij weten, is dit de kleinste en lichtste continue zoomlens die momenteel beschikbaar is, waardoor de krachtige mogelijkheden van geavanceerde IR-warmtebeeldsystemen in zware omgevingsomstandigheden en op beperkte platforms mogelijk zijn.

Een andere benadering om de lage SWaP-uitdaging aan te pakken, omvat configuraties met gevouwen optica die speciaal zijn ontworpen voor compacte cardanische payloads. Een voorbeeld is Ophir's gevouwen optische 16-180mm f/3.6 zoomlens, geoptimaliseerd voor MWIR 10μm pixeldetectoren.

Afbeelding 2(a) toont de optomechanische lay-out en afbeelding van de 16-180 mm f/3.6 zoomlens. Het ontwerp is gebaseerd op een standaard relais- en objectiefconfiguratie, met twee bewegende groepen die de verandering in de brandpuntsafstand mogelijk maken. De materialen zijn geselecteerd met behulp van best practices, evenals de athermalisatie- en achromatisatieconcepten.

Het gevouwen optische ontwerp maakt lange optische lengtes mogelijk voor verminderde gevoeligheid voor toleranties, in een compacte configuratie, met een verminderd aantal optische elementen, terwijl de verschillende uitdagingen van een dergelijk concept worden aangepakt. Deze omvatten line-of-sight (LOS)-stabilisatie en een verminderd aantal optische elementen, gebaseerd op onze mogelijkheden voor het produceren van asferische en diffractieve oppervlakken met uitzonderlijke nauwkeurigheid en kwaliteit.

Figuur 2(b) toont de MTF-resultaten als functie van de ruimtelijke frequentie van het 16-180 mm gevouwen ontwerp voor de WFOV en NFOV, ter illustratie van de mogelijkheden van het ontwerp om prestaties in de buurt van diffractielimieten te verkrijgen. Zoals te zien is, blijven de hoge MTF-prestaties van dit ontwerp over het hele veld behouden en zelfs in de hoeken zijn de prestaties meer dan redelijk.

Diamantdraaitechnologie wordt vaak gebruikt om asferische en diffractieve oppervlakken te produceren, met een uitzonderlijke nauwkeurigheid en kwaliteit. Asferische lensoppervlakken zijn wenselijk, vooral als het gaat om infraroodoptiek, die een aanzienlijke toename in optische prestaties laten zien ten opzichte van hun sferische tegenhangers. Asferische diffractieve lensoppervlakken maken de integratie van meerdere functies mogelijk, zoals correcties van chromatische en sferische aberratie. Lenzen geproduceerd door middel van diamantdraaien kunnen daarom meerdere elementen combineren, waardoor de totale grootte en het gewicht worden verminderd.

Het gebruik van duurzame, antireflecterende lenscoatings verbetert ook de optische prestaties, zonder enige impact op de grootte of het gewicht van de lens. Lenscoatings maximaliseren de transmissie door reflectieverliezen te verminderen. Geavanceerde coatingtechnieken kunnen worden gebruikt om op maat gemaakte coatings te produceren. Deze coatings kunnen worden ontworpen om te voldoen aan de behoeften van de UAV-industrie, waar drones kunnen worden ingezet in verschillende omgevingen, die elk hun eigen optische uitdagingen met zich meebrengen.

SWaP-lenzen

Als het gaat om optica voor UAV's, payloads, drones en toepassingen voor draagbare apparaten, moet uw optica de volgende mogelijkheden bevatten:

• Lenzen met kleine vormfactor die passen op miniatuur-gimbals;

• Ultralichte zoomlenzen en lenzen met vaste focus;

• Hoge optische prestaties;

• Laag stroomverbruik;

• Hoge duurzaamheid (HD) of lage reflectie hard carbon (LRHC) AR coatings;

• Snelle FOV-verandering;

• Continu zoomen, met vast F# behouden over het volledige zoombereik;

• Nauwkeurig zicht door zoom;

• Compatibel met de belangrijkste MWIR- en LWIR-detectoren;

• Diffractiebeperkt optisch ontwerp.

Conclusie

Geavanceerde optische oplossingen zijn de sleutel tot missieprestaties in de lucht voor een gegarandeerde hoge beeldkwaliteit zonder een zware tol van de UAV-lading. UAV's en drones die zijn uitgerust met de ultieme detectoren, beeldverwerkingssoftware en monitoren moeten ook zijn uitgerust met een hoogwaardige lens, anders riskeert u een slechte beeldkwaliteit.

Optica voor UAV's en drones moeten voldoen aan de strikte beperkingen die bekend staan ​​als 'SWaP' ​​(grootte, gewicht en stroomverbruik). Het voldoen aan deze beperkingen vormt een uitdaging voor fabrikanten van optische lenzen, die compacte, lichtgewicht en hoogwaardige lenzen moeten leveren om onder zware omgevingsomstandigheden te kunnen werken.

Aan deze beperkingen wordt voldaan met behulp van geavanceerde productietechnologieën en unieke opto-mechanische ontwerpen. Ophir heeft bijvoorbeeld met succes geavanceerde IR-zoomlenzen ontworpen en geïmplementeerd met verminderde SWaP op basis van een uniek gevouwen optisch ontwerp, geschikt voor een pixelgrootte van 10 m, evenals lichtgewicht opto-mechanische concepten met relatief lange brandpuntsafstanden. Beide lenzen demonstreren MTF-prestaties die dicht bij de diffractielimiet liggen, en mogelijkheden voor zicht op lange afstand en hoge resolutie en identificatie in zware omgevingsomstandigheden en op beperkte platforms.

Dergelijke geavanceerde IR-optische assemblages voldoen aan de uitdagende UAV-industrievereisten en openen nieuwe kansen in de volgende generatie UAV- en drone-warmtebeeldtoepassingen.

Dit artikel is geschreven door Dr. Kobi Lasri, General Manager, Ophir Optronics Solutions, MKS Instruments Inc. (Jeruzalem, Israël). Neem voor meer informatie contact op met Dr. Lasri via Dit e-mailadres wordt beveiligd tegen spambots. U heeft Javascript nodig om het te kunnen zien., of bezoek hier .

Referenties

1. Teal Group (2017).
2. Gettinger, D. (2017). Drones voor openbare veiligheid. Opgehaald van het Centrum voor de Studie van de Drone.