Разработка передовых ИК-оптических сборок для БПЛА

За последние годы индустрия БПЛА значительно развилась и выросла. Наряду с этим ростом мы наблюдаем разработку БПЛА и дронов со все более совершенными системами инфракрасного изображения, содержащими детекторы большего размера и меньшего размера пикселя, что создает проблемы для оптики БПЛА.

Качество объектива должно повышаться, чтобы максимизировать производительность изображения в соответствии с возможностями детектора, обеспечивая зрение с высоким разрешением. Всегда следует учитывать три важных фактора, чтобы убедиться, что оптическая сборка подходит для БПЛА и дронов; они известны как SWaP — размер, вес и энергопотребление. Другими словами, оптика должна быть компактной, легкой и потреблять меньше энергии, чтобы обеспечить максимальное время полета.

Перед производителями оптики стоит задача разработать и произвести оптику с четким, чистым изображением во всем диапазоне увеличения и MTF (функция передачи модуляции), близкой к дифракционному пределу, при соблюдении строгих требований SWaP. Оптика также должна выдерживать суровые условия окружающей среды, связанные с различными приложениями БПЛА и дронов, например, в оборонной промышленности.

Фон

Индустрия беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) быстро растет, и, по оценкам аналитиков Teal Group, мировое производство БПЛА в следующие десять лет составит 135 миллиардов долларов. Оснащенные высокоэффективными камерами EO/IR, БПЛА и дроны подходят для широкого спектра приложений для обработки изображений.

Рынок дронов состоит из оборонных, правительственных и коммерческих приложений. В сфере обороны и правительства дроны используются для военного и полицейского наблюдения, пограничного контроля, безопасности и поисково-спасательных операций. В период с 2009 г. по начало 2017 г. не менее 347 правоохранительных органов и служб экстренного реагирования в США приобрели дроны.

На рынке коммерческих дронов требования растут. Коммерческие дроны с тепловизионными возможностями играют заметную роль в проверке линий электропередач, нефтепроводов, обнаружении лесных пожаров и других объектов инфраструктуры. Такие возможности также используются для оказания помощи в операциях по тушению пожаров путем обнаружения и оценки возгораний даже в условиях плохой видимости.

По мере того, как технология БПЛА применяется для решения все большего числа сложных задач, мы видим растущую потребность в максимальном увеличении производительности изображений. Конкретные оптические потребности представлены вышеупомянутым увеличением разрешения и размера детектора с сопутствующим уменьшением размера пикселя. Производство небольших дронов для коммерческого использования также усугубляет проблемы, с которыми сталкиваются производители оптики.

Решение

Высококачественные линзы необходимы для использования достижений в области детекторов. Худший объектив будет давать худшее изображение даже с лучшим детектором. Чтобы соответствовать высокопроизводительным детекторам с малыми пикселями, требуются более низкие F# и более жесткие допуски, формирующие линзы с минимальными аберрациями. Чтобы соответствовать этим требованиям, объективы также должны иметь большое фокусное расстояние, чтобы снимать изображения с больших расстояний. Новейшие решения основаны на усовершенствованной складной оптике и легких зум-объективах, оптимизированных для инфракрасных тепловизионных систем следующего поколения.

Разработка объективов для БПЛА и дронов

Современные технологии используются для удовлетворения оптических требований к БПЛА и беспилотным летательным аппаратам. К ним относятся инновационные оптические и механические конструкции, экзотические материалы и уникальные технологии изготовления линз и покрытий.

Объективы с непрерывным зумом решают проблему низкого значения SWaP, сохраняя при этом высокие оптические характеристики. Эти линзы меньше и легче, чем при использовании нескольких линз 1-FOV. Кроме того, объектив с непрерывным зумом обеспечивает большую гибкость миссии, позволяя изменять увеличение во время работы БПЛА.

Работая в сотрудничестве с оборонными и коммерческими заказчиками, компания Ophir, например, разработала ряд легких, высокопроизводительных тепловизионных зум-объективов, специально предназначенных для использования в беспилотных летательных аппаратах, дронах и портативных устройствах. Усовершенствованные зум-объективы имеют сложную оптико-механическую конструкцию, благодаря которой они являются самыми маленькими, легкими и компактными, сохраняя при этом высокие показатели тепловизионного ИК-изображения.

На рис. 1(а) показан легкий зум-объектив LightIR 20-275 мм f/5,5 и его оптико-механическая схема. Инновационная оптико-механическая конструкция привела к весу всего 264 грамма. Несмотря на сложные ограничения SWaP, усовершенствованная облегченная конструкция привела к высокому уровню значений MTF по всему месторождению, как показано на Рисунке 1(b). Кроме того, выбор передовых материалов обеспечил уникальные свойства атермализации, поддерживая высочайшую производительность в широком диапазоне рабочих температур в диапазоне от -35°C до +65°C.

Характеристики этого объектива обеспечивают большую дальность действия по сравнению с размером и весом объектива. Например, дальность обнаружения транспортного средства длиной 2,3 м будет составлять около 15 км при интеграции с детектором NETD 23 мК, размером пикселя 15 мкм (на основе расчетов модели FLIR92). Насколько нам известно, это самый компактный и легкий объектив с непрерывным зумом, доступный на сегодняшний день, который обеспечивает высокоэффективные возможности передовых ИК-тепловизионных систем в суровых условиях окружающей среды и на ограниченных платформах.

Другой подход к решению проблемы низкого SWaP включает в себя конфигурации со складной оптикой, которые разработаны специально для компактных полезных нагрузок на шарнирах. Примером может служить зум-объектив Ophir 16–180 мм f/3,6 со складной оптикой, оптимизированный для пиксельных детекторов MWIR 10 мкм.

На рис. 2(а) показана оптомеханическая схема и изображение зум-объектива 16–180 мм f/3,6. Конструкция основана на стандартной конфигурации реле и объектива с двумя подвижными группами, позволяющими изменять фокусное расстояние. Материалы были выбраны с использованием лучших практик, а также концепций атермализации и ахроматизации.

Конструкция со складчатой ​​оптикой обеспечивает большую оптическую длину для снижения чувствительности к допускам в компактной конфигурации с уменьшенным количеством оптических элементов, одновременно решая различные проблемы такой концепции. К ним относятся стабилизация прямой видимости (LOS) и уменьшенное количество оптических элементов благодаря нашим возможностям по созданию асферических и дифракционных поверхностей с исключительным уровнем точности и качества.

На рис. 2(b) показаны результаты MTF в зависимости от пространственной частоты 16–180-мм складчатой ​​конструкции для WFOV и NFOV, что иллюстрирует возможности конструкции для получения характеристик, близких к дифракционному пределу. Как видно, высокая производительность MTF этой конструкции сохраняется по всему полю и даже на углах производительность более чем приемлемая.

Технология алмазного точения часто используется для изготовления асферических и дифракционных поверхностей с исключительным уровнем точности и качества. Желательны асферические поверхности линз, особенно когда речь идет об инфракрасной оптике, демонстрирующие значительное улучшение оптических характеристик по сравнению со сферическими аналогами. Асферические и дифракционные поверхности линз позволяют интегрировать множество функций, таких как коррекция хроматических и сферических аберраций. Таким образом, линзы, изготовленные методом алмазной токарной обработки, могут сочетать несколько элементов, что позволяет уменьшить общий размер и вес.

Использование прочного антибликового покрытия линз также улучшает оптические характеристики без какого-либо влияния на размер или вес линзы. Покрытия линз максимизируют передачу за счет снижения потерь на отражение. Передовые методы нанесения покрытий могут использоваться для производства индивидуальных покрытий. Эти покрытия могут быть разработаны для удовлетворения потребностей индустрии БПЛА, где дроны могут использоваться в различных средах, каждая из которых создает свои оптические проблемы.

Обмен линзами

Когда речь идет об оптике для БПЛА, полезной нагрузки, дронов и приложений для портативных устройств, ваша оптика должна включать следующие возможности:

• Объективы малого форм-фактора подходят для миниатюрных стабилизаторов;

• Сверхлегкие зум-объективы и объективы с фиксированным фокусным расстоянием;

• Высокие оптические характеристики;

• Низкое энергопотребление;

• просветляющие покрытия с высокой износостойкостью (HD) или твердым углеродом с низким коэффициентом отражения (LRHC);

• Быстрое изменение FOV;

• Непрерывное масштабирование с фиксированным значением F# во всем диапазоне масштабирования;

• Точный сквозной прицел;

• Совместимость с основными детекторами MWIR и LWIR;

• Оптическая конструкция с ограничением дифракции.

Заключение

Усовершенствованные оптические решения являются ключом к производительности бортовых миссий для гарантированного высокого качества изображения без больших потерь полезной нагрузки БПЛА. БПЛА и дроны, оснащенные новейшими детекторами, программным обеспечением для обработки изображений и мониторами, также должны быть оснащены высокопроизводительными объективами, иначе качество изображения может ухудшиться.

Оптика для БПЛА и дронов должна соответствовать строгим ограничениям, известным как «SWaP» (размер, вес и энергопотребление). Соблюдение этих ограничений создает проблемы для производителей оптических линз, которые должны поставлять компактные, легкие и высокопроизводительные линзы для работы в суровых условиях окружающей среды.

Эти ограничения соблюдаются с использованием передовых производственных технологий и уникальных оптико-механических конструкций. Например, компания Ophir успешно разработала и внедрила усовершенствованные зум-объективы с ИК-подсветкой и уменьшенным SWaP на основе уникальной конструкции со складчатой ​​оптикой, подходящей для размера пикселя 10 мкм, а также легкие оптико-механические концепции с относительно большими фокусными расстояниями. Оба объектива демонстрируют эффективность MTF, близкую к дифракционному пределу, и возможности для дальнего обзора с высоким разрешением и идентификации в суровых условиях окружающей среды и на ограниченных платформах.

Такие усовершенствованные ИК-оптические сборки отвечают жестким требованиям отрасли БПЛА и открывают новые возможности для приложений следующего поколения для БПЛА и тепловизионных дронов.

Эта статья была написана доктором Коби Ласри, генеральным директором Ophir Optronics Solutions, MKS Instruments Inc. (Иерусалим, Израиль). Для получения дополнительной информации свяжитесь с доктором Ласри по адресу Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра или посетите здесь .

Ссылки

1. Бирюзовая группа (2017 г.).
2. Геттингер, Д. (2017). Дроны общественной безопасности. Получено из Центра изучения дрона.