Entwicklung modernster IR-Optiken für UAVs

Die UAV-Industrie hat sich in den letzten Jahren erheblich weiterentwickelt und gewachsen. Parallel zu diesem Wachstum haben wir die Entwicklung von UAVs und Drohnen mit zunehmend fortschrittlichen Infrarot-Bildgebungssystemen gesehen, die Detektoren enthalten, die größer in der Größe und kleiner in der Pixelgröße sind, was Herausforderungen für UAV-Optiken darstellt.

SWaP: Größe, Gewicht, Leistung

Die Linsenqualität muss steigen, um die Bildgebungsleistung in Einklang mit den Detektorfähigkeiten zu maximieren und hochauflösende Sicht 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 – Size, Weight, and Power consumption. Anders ausgedrückt: Die Optiken müssen kompakt, leicht und mit reduziertem Stromverbrauch sein, um maximale Flugzeit zu ermöglichen.

Die Herausforderung liegt bei optischen Herstellern, Optiken mit einem knackigen, sauberen Bild über den gesamten Zoombereich und einem MTF (Modulation Transfer Function) nahe dem Beugungslimit zu entwerfen und zu produzieren, während strenge SWaP-Anforderungen erfüllt werden. Optiken müssen auch den harten Umweltbedingungen standhalten, die mit verschiedenen UAV- und Drohnenanwendungen verbunden sind, wie in der Verteidigungsindustrie.

Hintergrund: Wachsender UAV-Markt

Die Unmanned Aerial Vehicle (UAV) Industrie wächst rasant, mit Teal Group Analysten, die schätzen, dass die weltweite UAV-Produktion in den nächsten zehn Jahren 135 Milliarden Dollar betragen wird. Ausgestattet mit hochleistungsfähigen EO/IR-Kamera-Payloads eignen sich UAVs und Drohnen für eine breite Palette von Bildgebungsanwendungen.

Der Drohnenmarkt besteht aus Verteidigungs-, Regierungs- und kommerziellen Anwendungen. Im Bereich Verteidigung und Regierung werden Drohnen für militärische und polizeiliche Überwachung, Grenzkontrolle, Sicherheit und Such- und Rettungseinsätze eingesetzt. Zwischen 2009 und Anfang 2017 erwarben mindestens 347 Strafverfolgungs- und Notfallbehörden in den USA Drohnen.

Im kommerziellen Drohnenmarkt wachsen die Anforderungen. Kommerzielle Drohnen mit Wärmebildfähigkeiten spielen eine prominente Rolle bei der Inspektion von Stromleitungen, Ölpipelines, Waldbranderkennung und anderer Infrastruktur. Solche Fähigkeiten werden auch zur Unterstützung von Feuerwehreinsätzen eingesetzt, indem Brände geortet und bewertet werden, selbst bei schlechter Sicht.

Da UAV-Technologie in einer zunehmenden Vielfalt anspruchsvoller Aufgaben eingesetzt wird, sehen wir einen wachsenden Bedarf, die Bildgebungsleistung zu maximieren. Spezifische optische Bedürfnisse ergeben sich aus der前述en Erhöhung der Detektorauflösung und -größe bei gleichzeitiger Verringerung der Pixelgröße. Die Produktion kleinerer Drohnen für kommerzielle Nutzung erhöht ebenfalls die Herausforderungen für optische Hersteller.

Lösung: Hochwertige Linsen

Hochwertige Linsen sind essenziell, um die Fortschritte in der Detektorleistung zu nutzen. Eine minderwertige Linse wird ein minderwertiges Bild produzieren, selbst mit dem besten Detektor. Um hochleistungsfähige, kleine Pixel-Detektoren anzupassen, sind niedrigere F-Zahlen und engere Toleranzen erforderlich, die Linsen mit minimalen Aberrationen formen. Um diese Anforderungen zu erfüllen, müssen Linsen auch eine lange Brennweite haben, um Bilder aus großer Distanz aufzunehmen. Die neuesten Lösungen basieren auf fortschrittlicher Faltoptik und leichten Zoomlinsen, optimiert für die nächste Generation Infrarot-Wärmebildsysteme.

Linsendesign für UAVs und Drohnen

State-of-the-Art-Technologien werden genutzt, um UAV- und Drohnen-optische Anforderungen zu erfüllen. Dazu gehören innovative optische und mechanische Designs, exotische Materialien und einzigartige Linsenfertigungs- und Beschichtungstechnologien.

Kontinuierliche Zoomlinsen

Kontinuierliche Zoomlinsen adressieren die Low-SWaP-Herausforderung bei Erhaltung hoher optischer Leistung. Diese Linsen sind kleiner und leichter als der Einsatz mehrerer 1-FOV-Linsen. Zusätzlich ermöglicht eine kontinuierliche Zoomlinse bessere Missionsflexibilität durch Vergrößerungsänderungen während eines UAV-Einsatzes.

In Zusammenarbeit mit Verteidigungs- und kommerziellen Kunden hat Ophir beispielsweise eine Reihe leichter, hochleistungsfähiger Wärmebild-Zoomlinsen entwickelt, die speziell für den Einsatz in UAV-Payloads, Drohnen und Handgeräten konzipiert sind. Die fortschrittlichen Zoomlinsen nutzen ein raffiniertes optomechanisches Design, um sicherzustellen, dass die Linsen die kleinsten, leichtesten und kompaktesten sind, während sie dennoch hohe IR-Wärmebildleistungen erreichen.

Abbildung 1(a) zeigt das LightIR 20-275mm f/5.5 Leichtgewichts-Zoomobjektiv und sein optomechanisches Layout. Das innovative optomechanische Design resultierte in einem Gewicht von nur 264 Gramm. Trotz der anspruchsvollen SWaP-Restriktionen führte das fortschrittliche Leichtbau-Design zu hohen MTF-Werten über das gesamte Feld, wie in Abbildung 1(b) gezeigt. Zudem ermöglichten die Auswahl fortschrittlicher Materialien einzigartige athermale Eigenschaften, die höchste Leistung über einen weiten Betriebstemperaturbereich von -35°C bis +65°C aufrechterhalten.

Die Eigenschaften dieses Objektivs führen zu großen operativen Reichweiten relativ zur Objektivgröße und -gewicht. Zum Beispiel würde die Detektionsreichweite eines 2,3 m großen Fahrzeugs bei Integration mit einem 23 mK NETD, 15 µm Pixel Detektor (basierend auf FLIR92 Modellberechnungen) bei ca. 15 km liegen. Soweit uns bekannt, ist dies das kleinste und leichteste kontinuierliche Zoomobjektiv, das heute verfügbar ist und die hochleistungsfähigen Fähigkeiten fortschrittlicher IR-Wärmebildsysteme in harten Umweltbedingungen und auf begrenzten Plattformen ermöglicht.

Faltoptik-Konfigurationen

Ein weiterer Ansatz zur Bewältigung der Low-SWaP-Herausforderung umfasst Faltoptik-Konfigurationen, die speziell für kompakte gimbalte Payloads entwickelt wurden. Ein Beispiel ist Ophirs Faltoptik 16-180mm f/3.6 Zoomobjektiv, optimiert für MWIR 10 µm Pixel Detektoren.

Abbildung 2(a) demonstriert das optomechanische Layout und Bild des 16-180mm f/3.6 Zoomobjektivs. Das Design basiert auf einer Standard-Relais- und Objektivkonfiguration mit zwei beweglichen Gruppen, die die Brennweitenänderung ermöglichen. Die Materialien wurden nach Best Practices sowie Athermalisierungs- und Achromatisierungs-Konzepten ausgewählt.

Das Faltoptik-Design ermöglicht lange optische Längen für reduzierte Empfindlichkeit gegenüber Toleranzen in einer kompakten Konfiguration mit reduzierter Anzahl optischer Elemente, während es die verschiedenen Herausforderungen eines solchen Konzepts adressiert. Dazu gehören Line-of-Sight (LOS) Stabilisierung und eine reduzierte Anzahl optischer Elemente, basierend auf den Fähigkeiten zur Herstellung asphärischer und diffraktiver Oberflächen mit außergewöhnlicher Genauigkeit und Qualität.

Abbildung 2(b) zeigt die MTF-Ergebnisse als Funktion der Ortsfrequenz des 16-180mm Faltdesigns für WFOV und NFOV, was die Fähigkeiten des Designs veranschaulicht, Performance nahe dem Beugungslimit zu erreichen. Wie zu sehen, wird die hohe MTF-Performance dieses Designs über das gesamte Feld aufrechterhalten, und selbst an den Ecken ist die Performance mehr als vernünftig.

Diamantdrehen und Beschichtungen

Diamantdrehtechnologie wird oft zur Herstellung asphärischer und diffraktiver Oberflächen mit außergewöhnlicher Genauigkeit und Qualität eingesetzt. Asphärische Linsenoberflächen sind wünschenswert, insbesondere bei Infrarotoptiken, da sie signifikante Steigerungen der optischen Leistung gegenüber ihren sphärischen Gegenstücken zeigen. Asphärisch-Diffraktive Linsenoberflächen ermöglichen die Integration mehrerer Funktionen, wie chromatische und sphärische Aberrationskorrekturen. Durch Diamantdrehen hergestellte Linsen können daher mehrere Elemente kombinieren, was die Gesamtgröße und das Gewicht reduziert.

Der Einsatz langlebiger, entspiegelter Linsenbeschichtungen verbessert die optische Leistung ebenfalls, ohne Auswirkungen auf Größe oder Gewicht der Linse. Linsenbeschichtungen maximieren die Transmission durch Reduktion von Reflexionsverlusten. Fortschrittliche Beschichtungstechniken können verwendet werden, um maßgeschneiderte Beschichtungen herzustellen. Diese können so ausgelegt werden, dass sie den Bedürfnissen der UAV-Industrie entsprechen, wo Drohnen in einer Vielzahl von Umgebungen eingesetzt werden können, die jeweils ihre eigenen optischen Herausforderungen präsentieren.

SWaP-Linsen: Anforderungskatalog

Bei Optiken für UAVs, Payloads, Drohnen und Handgeräte sollten Ihre Optiken folgende Fähigkeiten umfassen:

• Kleine Formfaktor-Linsen für miniature Gimbal
• Ultra-leichte Zoom- & Festbrennweitenlinsen
• Hohe optische Leistung
• Niedriger Stromverbrauch
• Hohe Haltbarkeit (HD) oder Low Reflection Hard Carbon (LRHC) AR-Beschichtungen
• Schneller FOV-Wechsel
• Kontinuierlicher Zoom mit festem F# über den gesamten Zoombereich
• Präzises Through-Zoom Bore Sight
• Kompatibel mit gängigen MWIR & LWIR Detektoren
• Beugungslimitiertes optisches Design

Fazit

Fortgeschrittene optische Lösungen sind der Schlüssel zur Luftfahrt-Missionsleistung für garantierte hohe Bildqualität ohne schwere Belastung der UAV-Payload. UAVs und Drohnen, die mit den ultimativen Detektoren, Bildverarbeitungssoftware und Monitoren ausgestattet sind, müssen auch mit einer hochleistungsfähigen Linse ausgestattet sein, sonst riskieren sie schlechte Bildqualität.

Optiken für UAVs und Drohnen müssen die strengen Constraints erfüllen, die als „SWaP“ (Größe, Gewicht und Stromverbrauch) bekannt sind. Die Erfüllung dieser Constraints stellt Herausforderungen für optische Linsenhersteller dar, die kompakte, leichte und hochleistungsfähige Linsen für den Betrieb unter harten Umweltbedingungen liefern müssen.

Diese Constraints werden durch modernste Fertigungstechnologien und einzigartige optomechanische Designs erfüllt. Als Beispiel hat Ophir erfolgreich fortschrittliche IR-Zoomlinsen mit reduziertem SWaP basierend auf einem einzigartigen Faltoptik-Design für 10 µm Pixelgröße sowie Leichtbau-Optomechanik-Konzepte mit relativ langen Brennweiten entworfen und implementiert. Beide Linsen demonstrieren MTF-Performance nahe dem Beugungslimit und Fähigkeiten für langreichweitige, hochauflösende Sicht und Identifikation in harten Umweltbedingungen und auf begrenzten Plattformen.

Solche fortschrittlichen IR-optischen Baugruppen erfüllen die anspruchsvollen UAV-Industrieanforderungen 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. Für weitere Informationen kontaktieren Sie Dr. Lasri unter [E-Mail geschützt] oder besuchen Sie hier.

Referenzen

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