Ontwerpen van Geavanceerde IR-optica voor UAV's

De UAV-industrie is in de afgelopen jaren aanzienlijk geëvolueerd en gegroeid. Naast deze groei hebben we de ontwikkeling van UAV's en drones gezien met toenemend geavanceerde infrarood-beeldvormingssystemen, met detectors die groter in formaat zijn en kleiner in pixelgrootte, wat uitdagingen voor UAV-optica met zich meebrengt.

SWaP: Formaat, Gewicht en Vermogensverbruik

Lenskwaliteit moet toenemen om de imagingprestaties te maximaliseren in lijn met detectormogelijkheden, wat toelaat voor hoge-resolutie visie. Drie cruciale factoren moeten altijd overwogen worden om ervoor te zorgen dat de optische samenstelling geschikt is voor UAV's en drones; deze staan bekend als SWaP - Size, Weight, and Power consumption. Met andere woorden, de optica moet compact, lichtgewicht, en met verminderd vermogensverbruik zijn, om de maximale vluchtduur te mogelijk maken.

Uitdaging voor Optische Fabrikanten

De uitdaging ligt bij optische fabrikanten om optica te ontwerpen en produceren met een scherp, schoon beeld over het gehele zoom-bereik, en een MTF (modulatie-overdrachtsfunctie) dicht bij de diffractielimiet, terwijl ze strikte SWaP-eisen nakomen. Optica moet ook in staat zijn om de harde omgevingsomstandigheden te weerstaan geassocieerd met diverse UAV- en drone-toepassingen, zoals in de defensie-industrie.

Achtergrond: Groeiende UAV-markt

De onbemende luchtvaartuig (UAV) industrie groeit snel, met Teal Group analisten schattend dat de wereldwijde UAV-productie in de komende tien jaar $135 miljard zal totalen. Uitgerust met hoge-prestatie EO/IR camera-payloads, lenen UAV's en drones zich voor een breed scala aan imagingtoepassingen.

De dronemarkt bestaat uit defensie, overheid, en commerciële toepassingen. In het gebied van defensie en overheid, worden drones gebruikt voor militaire en politie surveillance, grenscontrole, beveiliging, en zoek- en reddingsoperaties. Tussen 2009 en begin 2017, verwierven ten minste 347 wetshandhavings- en noodhulpagentschappen in de VS drones.

In de commerciële dronemarkt, is de vraag gegroeid. Commerciële drones met thermische imagingcapaciteiten spelen een prominente rol in het inspecteren van elektrische hoogspanningslijnen, oliepijpleidingen, bosbranddetectie, en andere infrastructuren. Zulke capaciteiten worden ook gebruikt om te helpen bij brandbestrijdingsoperaties door branden te lokaliseren en te beoordelen, zelfs wanneer zicht slecht is.

Naarmate UAV-technologie toegepast wordt in een toenemende verscheidenheid aan gesofistikeerde taken, zien we een groeiende behoefte om imagingprestaties te maximaliseren. Specifieke optische behoeften worden gepresenteerd door de bovengenoemde toename in detectorresolutie en -formaat, met de daarbij horende afname in pixelgrootte. De productie van kleinere drones voor commercieel gebruik verhoogt ook de uitdagingen voor optische fabrikanten.

De Oplossing: Geavanceerde Vouwoptica en Lichtgewicht Zoomlensen

Hoogwaardige lenzen zijn essentieel om de vooruitgang in detectorprestaties te benutten. Een mindere lens zal een mindere afbeelding produceren, zelfs met de beste detector. Om aan te sluiten bij hoogpresterende, kleine-pixel detectors, zijn lagere F-nummers en strengere toleranties vereist, wat lenzen vormt met minimale aberraties. Om aan deze eisen te voldoen, moeten lenzen ook een lange brandpuntsafstand hebben, om beelden op grote afstanden vast te leggen. De nieuwste oplossingen zijn gebaseerd op geavanceerde vouwoptica en lichtgewicht zoomlensen, geoptimaliseerd voor de volgende generatie infrarood thermische beeldvormingssystemen.

Ontwerpen van Lenzen voor UAV's en Drones

State-of-the-art technologieën worden gebruikt om UAV- en drone-optische eisen te voldoen. Deze omvatten innovatieve optische en mechanische ontwerpen, exotische materialen, en unieke lensfabricatie- en coatingtechnologieën.

Continu zoomlenzen adresseren de lage-SWaP-uitdaging terwijl ze hoge optische prestaties behouden. Deze lenzen zijn kleiner en lichter dan het gebruik van meerdere 1-FOV lenzen. Bovendien stelt een continue zoomlens betere missieflexibiliteit toe door veranderingen in vergroting tijdens een UAV-operatie toe te laten.

In samenwerking met defensie- en commerciële klanten, heeft Ophir bijvoorbeeld een reeks lichtgewicht, hoogpresterende thermische imaging zoomlenzen ontwikkeld die specifiek ontworpen zijn voor gebruik in UAV-payloads, drones, en handgehouden apparaten. De geavanceerde zoomlenzen gebruiken een gesofistikeerd optomechanisch ontwerp, om ervoor te zorgen dat de lenzen de kleinste, lichtste, en meest compacte zijn, terwijl ze nog steeds de hoge niveaus van IR thermische imagingprestaties bereiken.

Figuur 1(a) toont de LightIR 20-275mm f/5.5 lichtgewicht zoomlens, en zijn optomechanische lay-out. Het innovatieve optomechanische 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 getoond in Figuur 1(b). Bovendien maakte de selectie van geavanceerde materialen unieke athermiseringseigenschappen mogelijk, het behoud van de hoogste prestaties over een breed werkingtemperatuurbereik, van -35°C tot +65°C.

De kenmerken van deze lens leiden tot lange operationele bereiken relatief tot de lensgrootte en -gewicht. Bijvoorbeeld, de detectieafstand van een 2,3m voertuig zou rond de 15 km liggen wanneer geïntegreerd met een 23mK NETD, 15µm pixel detector (gebaseerd op FLIR92 modelberekeningen). Voor zover we weten, is dit de kleinste en lichtste continue zoomlens die vandaag beschikbaar is, wat de hoge-prestatiecapaciteiten van geavanceerde IR thermische beeldvormingssystemen in harde omgevingsomstandigheden en op beperkte platforms mogelijk maakt.

Een andere benadering om de lage SWaP-uitdaging aan te pakken omvat vouwoptica-configuraties die speciaal ontworpen zijn voor compacte gegimbale payloads. Een voorbeeld is Ophir's vouwoptische 16-180mm f/3.6 zoomlens, geoptimaliseerd voor MWIR 10µm pixel detectors.

Figuur 2(a) demonstreert de optomechanische lay-out en afbeelding van de 16-180mm f/3.6 zoomlens. Het ontwerp is gebaseerd op een standaard relay- en objectiefconfiguratie, met twee bewegende groepen die toelaten voor de verandering in brandpuntsafstand. De materialen werden geselecteerd met best practices, alsook de athermisering- en achromatisatieconcepten.

Het vouwoptische 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 zo'n concept aangepakt worden. Deze omvatten line-of-sight (LOS) stabilisatie, en een verminderd aantal optische elementen, gebaseerd op onze capaciteiten voor het produceren van asferische en diffractieve oppervlakken met uitzonderlijke niveaus van nauwkeurigheid en kwaliteit.

Figuur 2(b) toont de MTF-resultaten als functie van de ruimtelijke frequentie van het 16-180mm vouwontwerp voor de WFOV en NFOV, illustrerend de capaciteiten van het ontwerp om prestaties dicht bij de diffractielimiet te verkrijgen. Zoals te zien is, wordt de hoge MTF-prestatie van dit ontwerp over het gehele veld gehandhaafd, en zelfs in de hoeken is de prestatie meer dan redelijk.

Diamantdraaitechnologie en Coatings

Diamantdraaitechnologie wordt vaak gebruikt om asferische en diffractieve oppervlakken te produceren, met uitzonderlijke niveaus van nauwkeurigheid en kwaliteit. Asferische lensoppervlakken zijn wenselijk, met name bij infraroodoptica, en tonen significante toenames in optische prestaties ten opzichte van hun sferische tegenhangers. Asferisch-Diffractieve lensoppervlakken staan toe om meerdere functies te integreren, zoals chromatische en sferische aberratiecorrecties. Lenzen geproduceerd door diamantdraaien kunnen dus meerdere elementen combineren, wat de totale grootte en gewicht vermindert.

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 transmissie door reflectieverliezen te verminderen. Geavanceerde coatingtechnieken kunnen gebruikt worden om op maat gemaakte coatings te produceren. Deze coatings kunnen ontworpen worden om aan de behoeften van de UAV-industrie te voldoen, waar drones in een verscheidenheid aan omgevingen uitgezet kunnen worden, elk met zijn eigen optische uitdagingen.

SWaP Lensen Samenvatting

Als het op optica voor UAV's, payloads, drones, en handgehouden apparaattoepassingen aankomt, zou uw optica de volgende capaciteiten moeten omvatten:

• Kleine vormfactor lenzen om in miniature gimballen te passen;
• Ultra-lichtgewicht zoom & vast focus lenzen;
• Hoge optische prestaties;
• Laag vermogensverbruik;
• Hoge duurzaamheid (HD) of lage reflectie hard koolstof (LRHC) AR coatings;
• Snelle FOV-verandering;
• Continue zoom, met vast F# behouden door het volledige zoom-bereik;
• Accurate door-zoom bore sight;
• Compatibel met grote MWIR & LWIR detectors;
• Diffractielimiet optisch ontwerp.

Conclusie

Geavanceerde optische oplossingen zijn de sleutel tot airborne missieprestaties voor gegarandeerde hoge imagingkwaliteit zonder zware tol op de UAV-payload. UAV's en drones uitgerust met de ultieme detectors, beeldverwerkingssoftware, en monitors moeten ook uitgerust zijn met een hoogpresterende lens, anders riskerend slechte beeldkwaliteit.

Optica voor UAV's en drones moet voldoen aan de strikte beperkingen bekend als 'SWaP' (Size, Weight, and Power consumption). Het nakomen van deze beperkingen presenteert uitdagingen aan optische lensfabrikanten, die compacte, lichtgewicht, en hoogpresterende lenzen moeten leveren om te opereren onder harde omgevingsomstandigheden.

Deze beperkingen worden voldaan met behulp van geavanceerde fabricagetechnologieën, en unieke optomechanische ontwerpen. Als voorbeeld, heeft Ophir met succes geavanceerde IR zoomlenzen met verminderde SWaP ontworpen en geïmplementeerd gebaseerd op een uniek vouwoptisch ontwerp, geschikt voor 10µm pixelgrootte, alsook lichtgewicht optomechanische concepten met relatief lange brandpuntsafstanden. Beide lenzen demonstreren MTF-prestaties dicht bij de diffractielimiet, en capaciteiten voor lange-afstand, hoge-resolutie visie en identificatie in harde omgevingsomstandigheden, en op beperkte platforms.

Dergelijke geavanceerde IR optische samenstellingen voldoen aan de uitdagende UAV-industrie-eisen en openen nieuwe kansen in next-generation UAV- en drone-thermische imagingtoepassingen.

Dit artikel is geschreven door Dr. Kobi Lasri, General Manager, Ophir Optronics Solutions, MKS Instruments Inc. (Jeruzalem, Israël). Voor meer informatie, contacteer Dr. Lasri op dit e-mailadres (beschermd tegen spambots, JavaScript nodig), of bezoek hier.

Referenties

1. Teal Group (2017).
2. Gettinger, D. (2017). Public Safety Drones. Opgehaald van Center for the Study of the Drone.