Entwicklung fortschrittlicher optischer IR-Baugruppen für UAVs

Die UAV-Industrie hat sich in den letzten Jahren erheblich weiterentwickelt und ist gewachsen. Neben diesem Wachstum haben wir die Entwicklung von UAVs und Drohnen mit immer fortschrittlicheren Infrarot-Bildgebungssystemen erlebt, die Detektoren enthalten, die größer und kleiner in der Pixelgröße sind, was Herausforderungen für die UAV-Optik darstellt.

Die Linsenqualität muss steigen, um die Abbildungsleistung im Einklang mit den Detektorfähigkeiten zu maximieren und hochauflösendes Sehen zu ermöglichen. Drei entscheidende Faktoren sollten immer berücksichtigt werden, um sicherzustellen, dass die optische Baugruppe für UAVs und Drohnen geeignet ist; Diese sind als SWaP bekannt - Größe, Gewicht und Stromverbrauch. Mit anderen Worten, die Optik muss kompakt, leicht und mit reduziertem Stromverbrauch sein, um eine maximale Flugzeit zu ermöglichen.

Optikhersteller stehen vor der Herausforderung, Optiken mit einem gestochen scharfen, sauberen Bild über den gesamten Zoombereich und einer MTF (Modulationsübertragungsfunktion) nahe der Beugungsgrenze zu entwickeln und herzustellen und gleichzeitig die strengen SWaP-Anforderungen zu erfüllen. Optiken müssen auch den rauen Umgebungsbedingungen standhalten, die mit verschiedenen UAV- und Drohnenanwendungen verbunden sind, beispielsweise in der Verteidigungsindustrie.

Hintergrund

Die Branche der unbemannten Luftfahrzeuge (UAV) wächst schnell, wobei die Analysten der Teal Group schätzen, dass sich die weltweite UAV-Produktion in den nächsten zehn Jahren auf 135 Milliarden US-Dollar belaufen wird. Wenn sie mit leistungsstarken EO/IR-Kameranutzlasten ausgestattet sind, eignen sich UAVs und Drohnen für eine breite Palette von Bildgebungsanwendungen.

Der Drohnenmarkt besteht aus Verteidigungs-, Regierungs- und kommerziellen Anwendungen. Im Verteidigungs- und Regierungsbereich werden Drohnen für militärische und polizeiliche Überwachung, Grenzkontrolle, Sicherheit sowie Such- und Rettungseinsätze eingesetzt. Zwischen 2009 und Anfang 2017 haben mindestens 347 Strafverfolgungsbehörden und Rettungskräfte in den USA Drohnen erworben.

Auf dem kommerziellen Drohnenmarkt sind die Anforderungen gewachsen. Kommerzielle Drohnen mit Wärmebildfähigkeiten spielen eine herausragende Rolle bei der Inspektion von Stromleitungen, Ölpipelines, Waldbranderkennung und anderen Infrastrukturen. Solche Fähigkeiten werden auch verwendet, um bei der Brandbekämpfung zu helfen, indem Brände geortet und bewertet werden, selbst wenn die Sicht schlecht ist.

Da die UAV-Technologie in immer mehr anspruchsvollen Aufgaben eingesetzt wird, sehen wir einen wachsenden Bedarf, die Bildgebungsleistung zu maximieren. Spezifische optische Anforderungen ergeben sich aus der oben erwähnten Erhöhung der Detektorauflösung und -größe mit der damit einhergehenden Verringerung der Pixelgröße. Auch die Produktion kleinerer Drohnen für den kommerziellen Einsatz erhöht die Herausforderungen für Optikhersteller.

Die Lösung

Hochwertige Objektive sind unerlässlich, um die Fortschritte in der Detektorleistung zu nutzen. Eine minderwertige Linse erzeugt selbst mit dem besten Detektor ein minderwertiges Bild. Um hochleistungsfähigen Detektoren mit kleinen Pixeln gerecht zu werden, sind niedrigere F#s und engere Toleranzen erforderlich, um Linsen mit minimalen Aberrationen zu bilden. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, müssen Objektive auch eine lange Brennweite haben, um Bilder aus großen Entfernungen aufzunehmen. Die neuesten Lösungen basieren auf fortschrittlichen gefalteten Optiken und leichten Zoomobjektiven, die für Infrarot-Wärmebildsysteme der nächsten Generation optimiert sind.

Design von Objektiven für UAVs und Drohnen

Modernste Technologien werden eingesetzt, um die optischen Anforderungen von UAVs und Drohnen zu erfüllen. Dazu gehören innovative optische und mechanische Designs, exotische Materialien und einzigartige Linsenherstellungs- und Beschichtungstechnologien.

Kontinuierliche Zoomobjektive gehen die Low-SWaP-Herausforderung an und behalten gleichzeitig eine hohe optische Leistung bei. Diese Objektive sind kleiner und leichter als die Verwendung mehrerer 1-FOV-Objektive. Darüber hinaus ermöglicht ein kontinuierliches Zoomobjektiv eine bessere Missionsflexibilität, indem es Änderungen der Vergrößerung während eines UAV-Einsatzes zulässt.

In Zusammenarbeit mit Verteidigungs- und Handelskunden hat Ophir beispielsweise eine Reihe leichter, leistungsstarker Wärmebild-Zoomobjektive entwickelt, die speziell für den Einsatz in UAV-Nutzlasten, Drohnen und tragbaren Geräten entwickelt wurden. Die fortschrittlichen Zoomobjektive verwenden ein ausgeklügeltes optomechanisches Design, um sicherzustellen, dass die Objektive die kleinsten, leichtesten und kompaktesten sind und dennoch die hohe IR-Wärmebildleistung erreichen.

Abbildung 1(a) zeigt das leichte Zoomobjektiv LightIR 20–275 mm f/5,5 und sein optomechanisches Layout. Das innovative optomechanische Design führte zu einem Gewicht von nur 264 Gramm. Trotz der herausfordernden SWaP-Einschränkungen führte das fortschrittliche Leichtbaudesign zu einem hohen Niveau an MTF-Werten über das gesamte Feld, wie in Abbildung 1(b) gezeigt. Darüber hinaus ermöglichte die Auswahl fortschrittlicher Materialien einzigartige Athermalisierungseigenschaften, die die höchste Leistung über einen breiten Betriebstemperaturbereich im Bereich von -35 °C bis +65 °C beibehalten.

Die Eigenschaften dieses Objektivs führen zu langen Betriebsbereichen im Verhältnis zu Objektivgröße und -gewicht. Beispielsweise würde die Erkennungsreichweite eines 2,3 m langen Fahrzeugs etwa 15 km betragen, wenn es mit einem 23 mK NETD, 15 μm Pixeldetektor integriert wäre (basierend auf FLIR92-Modellberechnungen). Nach unserem besten Wissen ist dies das kleinste und leichteste kontinuierliche Zoomobjektiv, das heute erhältlich ist und die Hochleistungsfähigkeiten fortschrittlicher IR-Wärmebildsysteme in rauen Umgebungsbedingungen und auf eingeschränkten Plattformen ermöglicht.

Ein weiterer Ansatz zur Bewältigung der Low-SWaP-Herausforderung umfasst Konfigurationen mit gefalteter Optik, die speziell für kompakte kardanische Nutzlasten entwickelt wurden. Ein Beispiel ist Ophirs 16–180 mm f/3,6-Zoomobjektiv mit gefalteter Optik, das für MWIR-10-μm-Pixeldetektoren optimiert ist.

Abbildung 2(a) zeigt das optomechanische Layout und Bild des Zoomobjektivs 16–180 mm f/3,6. Das Design basiert auf einer standardmäßigen Relais- und Objektivkonfiguration mit zwei beweglichen Gruppen, die die Änderung der Brennweite ermöglichen. Die Materialien wurden unter Verwendung von Best Practices sowie der Athermalisierungs- und Achromatisierungskonzepte ausgewählt.

Das gefaltete optische Design ermöglicht große optische Längen für eine reduzierte Empfindlichkeit gegenüber Toleranzen in einer kompakten Konfiguration mit einer reduzierten Anzahl optischer Elemente, während es die verschiedenen Herausforderungen eines solchen Konzepts angeht. Dazu gehören die Stabilisierung der Sichtlinie (LOS) und eine reduzierte Anzahl optischer Elemente, basierend auf unseren Fähigkeiten zur Herstellung asphärischer und diffraktiver Oberflächen mit außergewöhnlicher Genauigkeit und Qualität.

Abbildung 2(b) zeigt die MTF-Ergebnisse als Funktion der räumlichen Frequenz des gefalteten 16–180-mm-Designs für WFOV und NFOV, was die Möglichkeiten des Designs veranschaulicht, eine Leistung nahe der Beugungsgrenze zu erzielen. Wie man sieht, bleibt die hohe MTF-Performance dieses Designs über das gesamte Feld erhalten und selbst in den Ecken ist die Leistung mehr als angemessen.

Die Diamantdrehtechnologie wird häufig verwendet, um asphärische und diffraktive Oberflächen mit außergewöhnlicher Genauigkeit und Qualität herzustellen. Asphärische Linsenoberflächen sind wünschenswert, insbesondere wenn es um Infrarotoptik geht, da sie eine deutliche Steigerung der optischen Leistung gegenüber ihren sphärischen Gegenstücken aufweisen. Asphärisch-beugende Linsenoberflächen ermöglichen die Integration mehrerer Funktionen, wie z. B. Korrekturen der chromatischen und sphärischen Aberration. Durch Diamantdrehen hergestellte Linsen können daher mehrere Elemente kombinieren, wodurch die Gesamtgröße und das Gewicht reduziert werden.

Die Verwendung langlebiger, entspiegelter Linsenbeschichtungen verbessert auch die optische Leistung, ohne die Größe oder das Gewicht der Linse zu beeinträchtigen. Linsenbeschichtungen maximieren die Transmission, indem sie Reflexionsverluste reduzieren. Fortschrittliche Beschichtungstechniken können verwendet werden, um maßgeschneiderte Beschichtungen herzustellen. Diese Beschichtungen können so gestaltet werden, dass sie den Anforderungen der UAV-Industrie entsprechen, in der Drohnen in einer Vielzahl von Umgebungen eingesetzt werden können, von denen jede ihre eigenen optischen Herausforderungen darstellt.

SWaP-Linsen

Wenn es um Optiken für UAVs, Nutzlasten, Drohnen und Handheld-Geräteanwendungen geht, sollte Ihre Optik die folgenden Fähigkeiten beinhalten:

• Objektive mit kleinem Formfaktor für Miniatur-Gimbals;

• Ultraleichte Zoom- und Fixfokus-Objektive;

• Hohe optische Leistung;

• Geringer Stromverbrauch;

• AR-Beschichtungen mit hoher Haltbarkeit (HD) oder harter Kohle (LRHC) mit geringer Reflexion;

• Schnelle FOV-Änderung;

• Kontinuierlicher Zoom, mit festem F#, das über den gesamten Zoombereich beibehalten wird;

• Präzises Durch-Zoom-Visier;

• Kompatibel mit den wichtigsten MWIR- und LWIR-Detektoren;

• Beugungsbegrenztes optisches Design.

Schlussfolgerung

Fortschrittliche optische Lösungen sind der Schlüssel zur Leistungsfähigkeit luftgestützter Missionen, um eine garantiert hohe Bildqualität zu gewährleisten, ohne die UAV-Nutzlast zu stark zu belasten. UAVs und Drohnen, die mit den ultimativen Detektoren, Bildverarbeitungssoftware und Monitoren ausgestattet sind, müssen auch mit einem Hochleistungsobjektiv ausgestattet sein, andernfalls riskieren sie eine schlechte Bildqualität.

Optiken für UAVs und Drohnen müssen die strengen Auflagen erfüllen, die als „SWaP“ (Größe, Gewicht und Stromverbrauch) bekannt sind. Die Erfüllung dieser Einschränkungen stellt Hersteller optischer Linsen vor Herausforderungen, die kompakte, leichte und leistungsstarke Linsen für den Betrieb unter rauen Umgebungsbedingungen liefern müssen.

Diese Einschränkungen werden durch modernste Fertigungstechnologien und einzigartige opto-mechanische Designs erfüllt. Beispielsweise hat Ophir fortschrittliche IR-Zoomobjektive mit reduziertem SWaP basierend auf einem einzigartigen Design mit gefalteter Optik, das für eine Pixelgröße von 10 μm geeignet ist, sowie leichte opto-mechanische Konzepte mit relativ langen Brennweiten erfolgreich entwickelt und implementiert. Beide Objektive zeigen eine MTF-Leistung nahe der Beugungsgrenze und Fähigkeiten für eine weitreichende, hochauflösende Sicht und Identifizierung unter rauen Umgebungsbedingungen und auf eingeschränkten Plattformen.

Solche fortschrittlichen optischen IR-Baugruppen erfüllen die anspruchsvollen Anforderungen der UAV-Industrie und eröffnen neue Möglichkeiten in UAV- und Drohnen-Wärmebildanwendungen der nächsten Generation.

Dieser Artikel wurde von Dr. Kobi Lasri, General Manager, Ophir Optronics Solutions, MKS Instruments Inc. (Jerusalem, Israel) verfasst. Wenden Sie sich für weitere Informationen an Dr. Lasri unter Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! JavaScript muss aktiviert werden, damit sie angezeigt werden kann. oder besuchen Sie hier .

Referenzen

1. Teal Group (2017).
2. Gettinger, D. (2017). Drohnen für die öffentliche Sicherheit. Abgerufen vom Center for the Study of the Drone.