Создание передовой ИК-оптики для БПЛА: вызовы SWaP и решения

Рост индустрии БПЛА и требования к ИК-оптике

Индустрия БПЛА значительно эволюционировала и выросла в последние годы. Наряду с этим ростом мы видим развитие БПЛА и дронов с всё более передовыми инфракрасными образцовыми системами, содержащими детекторы, которые больше по размеру и меньше по размеру пикселя, что создаёт вызовы для оптики БПЛА.

Качество линз должно увеличиваться для максимизации образцовой производительности в соответствии с возможностями детекторов, позволяя высокоразрешающее зрение. Три критичных фактора всегда должны учитываться для обеспечения пригодности оптической сборки для БПЛА и дронов; они известны как SWaP — Размер (Size), Вес (Weight) и Потребление энергии (Power consumption). Другими словами, оптика должна быть компактной, лёгкой и с низким потреблением энергии, чтобы обеспечить максимальное время полёта.

Вызов: чёткое изображение на всём зум-диапазоне при строгих SWaP

Вызов падает на оптических производителей — проектировать и производить оптику с чётким, чистым изображением на всём зум-диапазоне и MTF (функция передачи модуляции), близкой к дифракционному пределу, при соблюдении строгих требований SWaP. Оптика также должна выдерживать суровые экологические условия, связанные с различными применениями БПЛА и дронов, таких как в оборонной индустрии.

Фон: растущий рынок БПЛА

Индустрия беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) растёт быстро, аналитики Teal Group оценивают, что мировое производство БПЛА составит $135 миллиардов в следующие десять лет. Когда оснащены высокопроизводительными EO/IR камерными полезными нагрузками, БПЛА и дроны подходят для широкого круга образцовых применений.

Рынок дронов состоит из оборонных, государственных и коммерческих применений. В области обороны и правительства дроны используются для военной и полицейской слежки, пограничного контроля, безопасности и поисково-спасательных операций. Между 2009 и началом 2017 года как минимум 347 правоохранительных и аварийно-спасательных агентств в США приобрели дроны.

В коммерческом рынке дронов спрос рос. Коммерческие дроны с термальными образцовыми возможностями играют заметную роль в инспекции линий электропередач, нефтепроводов, обнаружении лесных пожаров и других инфраструктур. Такие возможности также используются для помощи в пожарных операциях, локализуя и оценивая пожары, даже когда видимость плохая.

По мере применения технологий БПЛА в всё более изощрённых задачах мы видим растущую необходимость максимизации образцовой производительности. Специфические оптические потребности представлены вышеупомянутым увеличением разрешения и размера детектора с сопровождающим уменьшением размера пикселя. Производство меньших дронов для коммерческого использования также увеличивает вызовы для оптических производителей.

Решение: передовые закладные оптические системы и лёгкие зум-линзы

Высококачественные линзы необходимы для использования преимуществ прогресса в производительности детекторов. Низкокачественная линза произведёт низкокачественное изображение, даже с лучшим детектором. Для соответствия высокопроизводительным детекторам с малыми пикселями требуются более низкие F# и более жёсткие толерансы, формирующие линзы с минимальными аберрациями. Для ответа на эти требования линзы также должны иметь большой фокусный расстояние для захвата изображений с больших расстояний. Новейшие решения основаны на передовых закладных оптических системах и лёгких зум-линзах, оптимизированных для систем инфракрасной термальной визуализации следующего поколения.

Проектирование линз для БПЛА и дронов: инновационные дизайны, экзотические материалы, алмазная точилка

Передовой технологии используются для удовлетворения оптических требований БПЛА и дронов. К ним относятся инновационные оптические и механические дизайны, экзотические материалы и уникальные технологии производства и покрытий линз.

Непрерывные зум-линзы решают проблему низкого SWaP, сохраняя высокую оптическую производительность. Эти линзы меньше и легче, чем использование множественных линз с фиксированным FOV. Кроме того, непрерывная зум-линза обеспечивает лучшую гибкость миссии, позволяя менять увеличение во время операции БПЛА.

Работая в сотрудничестве с оборонными и коммерческими клиентами, Ophir, например, разработал ряд лёгких, высокопроизводительных термальных зум-линз, спроектированных специально для использования в полезных нагрузках БПЛА, дронах и портативных устройствах. Продвинутые зум-линзы используют изощрённый оптико-механический дизайн, чтобы обеспечить, что линзы — самые маленькие, лёгкие и компактные, при этом достигая высоких уровней производительности ИК термальной визуализации.

Рисунок 1(a) показывает лёгкую зум-линзу LightIR 20-275mm f/5.5 и её оптико-механическую компоновку. Инновационный оптико-механический дизайн привёл к весу всего 264 грамма. Несмотря на сложные ограничения SWaP, передовое лёгкое дизайнирование привело к высокому уровню значений MTF по всему полю, как показано на Рисунке 1(b). Более того, выбор передовых материалов обеспечил уникальные атермализационные свойства, поддерживающие высшую производительность на широком рабочем температурном диапазоне от -35°C до +65°C.

Характеристики этой линзы ведут к дальним оперативным диапазонам относительно размера и веса линзы. Например, диапазон обнаружения 2.3м автомобиля будет около 15 км при интеграции с детектором 23mK NETD, 15мкм пиксель (на основе расчётов модели FLIR92). Насколько нам известно, это самая маленькая и лёгкая непрерывная зум-линза, доступная сегодня, обеспечивающая высокопроизводительные возможности передовых систем ИК термальной визуализации в суровых экологических условиях и на ограниченных платформах.

Закладная оптика (folded-optics) для компактных 짐бальных полезных нагрузок

Другой подход к решению проблемы низкого SWaP включает закладные оптические конфигурации, спроектированные специально для компактных 짐бальных полезных нагрузок. Пример — закладная зум-линза Ophir 16-180mm f/3.6, оптимизированная для MWIR 10мкм пиксельных детекторов.

Рисунок 2(a) демонстрирует оптико-механическую компоновку и фото зум-линзы 16-180mm f/3.6. Дизайн основан на стандартной релейной и объективной конфигурации, с двумя движущимися группами, позволяющими менять фокусное расстояние. Материалы выбраны по лучшим практикам, а также концепции атермализации и ахроматизации.

Закладной оптичный дизайн обеспечивает большие оптические длины для сниженной чувствительности к толерансам в компактной конфигурации с уменьшенным количеством оптических элементов, одновременно решая различные вызовы такого концепта. К ним относятся стабилизация линии визирования (LOS) и уменьшенное количество оптических элементов, основанное на наших возможностях производства асферических и дифракционных поверхностей с исключительными уровнями точности и качества.

Рисунок 2(b) показывает результаты MTF как функцию пространственной частоты закладного дизайна 16-180mm для WFOV и NFOV, иллюстрируя возможности дизайна достижения производительности близкой к дифракционному пределу. Как видно, высокая MTF производительность этого дизайна сохраняется по всему полю, и даже в углах производительность более чем разумна.

Алмазная точилка и передовые покрытия

Технология алмазной точилки часто используется для производства асферических и дифракционных поверхностей с исключительными уровнями точности и качества. Асферические линзовые поверхности желательны, особенно для ИК-оптики, показывая значительные увеличения оптической производительности по сравнению со их сферическими аналогами. Асферико-дифракционные линзовые поверхности позволяют интеграцию множественных функций, таких как хроматическая и сферическая аберрационные коррекции. Линзы, произведённые алмазной точилкой, могут поэтому комбинировать множественные элементы, уменьшая общий размер и вес.

Использование долговечных, антирефлексных линзовых покрытий также улучшает оптическую производительность без влияния на размер или вес линзы. Покрытия линз максимизируют пропускание, уменьшая потери отражения. Продвинутые техники покрытий могут использоваться для производства 맞춤 покрытий. Эти покрытия могут быть спроектированы для удовлетворения потребностей индустрии БПЛА, где дроны могут развёртываться в различных средах, каждая из которых представляет свои оптические вызовы.

Чек-лист SWaP линз для БПЛА

Когда речь идёт об оптике для БПЛА, полезных нагрузок, дронов и портативных устройств, ваша оптика должна включать следующие возможности:

• Линзы малого форм-фактора для миниатюрных гимблов;
• Ультралёгкие зум- и фиксированно-фокусные линзы;
• Высокая оптическая производительность;
• Низкое потребление энергии;
• Высокодолговечные (HD) или низкорефлективные твёрдые углеродные (LRHC) AR покрытия;
• Быстрая смена FOV;
• Непрерывный зум с фиксированным F# на всём зум-диапазоне;
• Точная bore sight через зум;
• Совместимость с основными MWIR и LWIR детекторами;
• Дифракционно-лимитированный оптичный дизайн.

Заключение

Передовые оптические решения — ключ к авиационной миссионной производительности для гарантированного высокого образцового качества без тяжёлого бремени на полезной нагрузке БПЛА. БПЛА и дроны, оснащённые последними детекторами, образцовой программной обработкой и мониторами, также должны быть оснащены высокопроизводительной линзой, иначе рискуя плохим качеством изображения.

Оптика для БПЛА и дронов должна соответствовать строгим ограничениям, известным как «SWaP» (Размер, Вес и Потребление энергии). Соответствие этим ограничениям представляет вызовы для производителей оптических линз, которые должны поставлять компактные, лёгкие и высокопроизводительные линзы для работы в суровых экологических условиях.

Эти ограничения выполняются с использованием передового производственного технологий и уникальных оптико-механических дизайнов. В качестве примера, Ophir успешно спроектировал и реализовал передовые ИК зум-линзы с уменьшенным SWaP на основе уникального закладного дизайна, подходящего для 10мкм размера пикселя, а также лёгких оптико-механических концепций с относительно большими фокусными расстояниями. Обе линзы демонстрируют MTF производительность близкую к дифракционному пределу и возможности для дальней, высокоразрешающей визуализации и идентификации в суровых экологических условиях и на ограниченных платформах.

Такие передовые ИК оптические сборки соответствуют сложным требованиям индустрии БПЛА и открывают новые возможности в применениях термальной визуализации БПЛА и дронов следующего поколения.

Эта статья написана д-ром Коби Ласри, генеральным директором Ophir Optronics Solutions, MKS Instruments Inc. (Иерусалим, Израиль). Для получения дополнительной информации свяжитесь с д-ром Ласри по адресу [email protected] или посетите .

Ссылки

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