Diseño de conjuntos ópticos IR avanzados para vehículos aéreos no tripulados

La industria de los UAV ha evolucionado y crecido significativamente en los últimos años. Junto con este crecimiento, hemos visto el desarrollo de UAV y drones con sistemas de imágenes infrarrojas cada vez más avanzados, que contienen detectores que son más grandes y más pequeños en píxeles, lo que presenta desafíos para la óptica de los UAV.

La calidad de la lente debe aumentar para maximizar el rendimiento de la imagen de acuerdo con las capacidades del detector, lo que permite una visión de alta resolución. Siempre se deben considerar tres factores cruciales para garantizar que el ensamblaje óptico sea adecuado para vehículos aéreos no tripulados y drones; estos se conocen como SWaP:tamaño, peso y consumo de energía. En otras palabras, la óptica debe ser compacta, liviana y con un consumo de energía reducido para permitir el máximo tiempo de vuelo.

El desafío recae en los fabricantes ópticos para diseñar y producir ópticas con una imagen nítida y limpia en todo el rango de zoom y una MTF (función de transferencia de modulación) cercana al límite de difracción, mientras cumplen con los estrictos requisitos de SWaP. La óptica también debe ser capaz de soportar las duras condiciones ambientales asociadas con varias aplicaciones de UAV y drones, como en la industria de defensa.

Antecedentes

La industria de vehículos aéreos no tripulados (UAV) está creciendo rápidamente, y los analistas de Teal Group estiman que la producción mundial de UAV ascenderá a $ 135 mil millones en los próximos diez años. Cuando están equipados con cargas útiles de cámara EO/IR de alto rendimiento, los UAV y los drones se prestan a una amplia gama de aplicaciones de imágenes.

El mercado de drones consiste en aplicaciones de defensa, gubernamentales y comerciales. En el ámbito de la defensa y el gobierno, los drones se utilizan para operaciones de vigilancia militar y policial, control de fronteras, seguridad y búsqueda y rescate. Entre 2009 y principios de 2017, al menos 347 agencias policiales y de respuesta a emergencias en los EE. UU. adquirieron drones.

En el mercado de drones comerciales, la demanda ha ido en aumento. Los drones comerciales con capacidades de imágenes térmicas están desempeñando un papel destacado en la inspección de líneas eléctricas, oleoductos, detección de incendios forestales y otras infraestructuras. Estas capacidades también se utilizan para ayudar en las operaciones de extinción de incendios mediante la localización y evaluación de incendios, incluso cuando la visibilidad es escasa.

A medida que la tecnología UAV se aplica en una variedad cada vez mayor de tareas sofisticadas, vemos una necesidad creciente de maximizar el rendimiento de las imágenes. Las necesidades ópticas específicas son presentadas por el aumento antes mencionado en la resolución y el tamaño del detector, con su consiguiente disminución en el tamaño del píxel. La producción de drones más pequeños para uso comercial también aumenta los desafíos que enfrentan los fabricantes ópticos.

La solución

Los lentes de alta calidad son esenciales para aprovechar los avances en el rendimiento de los detectores. Una lente inferior producirá una imagen inferior, incluso con el mejor detector. Para igualar los detectores de píxeles pequeños de alto rendimiento, se requieren F# más bajos y tolerancias más estrictas, formando lentes con aberraciones mínimas. Para responder a estos requisitos, las lentes también deben tener una distancia focal larga para capturar imágenes desde grandes distancias. Las soluciones más recientes se basan en ópticas plegadas avanzadas y lentes de zoom livianos, optimizados para los sistemas de imágenes térmicas infrarrojas de próxima generación.

Diseño de lentes para vehículos aéreos no tripulados y drones

Se están utilizando tecnologías de última generación para cumplir con los requisitos ópticos de UAV y drones. Estos incluyen diseños ópticos y mecánicos innovadores, materiales exóticos y tecnologías únicas de revestimiento y fabricación de lentes.

Las lentes de zoom continuo abordan el desafío de bajo SWaP mientras mantienen un alto rendimiento óptico. Estas lentes son más pequeñas y livianas que usar múltiples lentes 1-FOV. Además, una lente de zoom continuo permite una mayor flexibilidad de la misión al permitir cambios en la ampliación durante una operación de UAV.

Trabajando en colaboración con clientes comerciales y de defensa, Ophir, por ejemplo, ha desarrollado una gama de lentes de zoom de imágenes térmicas de alto rendimiento y livianos que están diseñados específicamente para su uso en cargas útiles de vehículos aéreos no tripulados, drones y dispositivos portátiles. Las lentes de zoom avanzadas utilizan un diseño optomecánico sofisticado para garantizar que las lentes sean las más pequeñas, livianas y compactas, al tiempo que logran los altos niveles de rendimiento de imágenes térmicas IR.

La Figura 1(a) muestra el lente de zoom liviano LightIR 20-275 mm f/5.5 y su diseño opto-mecánico. El innovador diseño opto-mecánico resultó en un peso de solo 264 gramos. A pesar de las desafiantes restricciones de SWaP, el diseño liviano avanzado resultó en un alto nivel de valores de MTF en todo el campo, como se muestra en la Figura 1 (b). Además, la selección de materiales avanzados permitió propiedades de atermalización únicas, manteniendo el más alto rendimiento en una amplia temperatura de funcionamiento, en el rango de -35 °C a +65 °C.

Las características de esta lente conducen a rangos operativos largos en relación con el tamaño y el peso de la lente. Por ejemplo, el rango de detección de un vehículo de 2,3 m sería de alrededor de 15 km cuando se integra con un detector de píxeles de 15 μm NETD de 23 mK (según los cálculos del modelo FLIR92). Hasta donde sabemos, esta es la lente de zoom continuo más pequeña y liviana disponible en la actualidad, lo que permite las capacidades de alto rendimiento de los sistemas avanzados de imágenes térmicas IR en condiciones ambientales adversas y en plataformas limitadas.

Otro enfoque para abordar el desafío de bajo SWaP incluye configuraciones de óptica plegada que están diseñadas especialmente para cargas útiles compactas con cardán. Un ejemplo es el objetivo de zoom óptico plegado de 16-180 mm f/3,6 de Ophir, optimizado para detectores de píxeles MWIR de 10 μm.

La figura 2(a) muestra el diseño optomecánico y la imagen del objetivo zoom de 16-180 mm f/3,6. El diseño se basa en una configuración estándar de relé y objetivo, con dos grupos móviles que permiten cambiar la distancia focal. Los materiales fueron seleccionados utilizando las mejores prácticas, así como los conceptos de atermalización y acromatización.

El diseño de óptica plegada permite longitudes ópticas largas para reducir la sensibilidad a las tolerancias, en una configuración compacta, con un número reducido de elementos ópticos, al tiempo que aborda los diversos desafíos de dicho concepto. Estos incluyen la estabilización de la línea de visión (LOS) y una cantidad reducida de elementos ópticos, en función de nuestras capacidades para producir superficies asféricas y difractivas con niveles excepcionales de precisión y calidad.

La Figura 2(b) muestra los resultados de la MTF en función de la frecuencia espacial del diseño plegado de 16-180 mm para WFOV y NFOV, lo que ilustra las capacidades del diseño para obtener un rendimiento cercano al límite de difracción. Como puede verse, el alto rendimiento de MTF de este diseño se mantiene en todo el campo e, incluso en las esquinas, el rendimiento es más que razonable.

La tecnología de torneado de diamante se usa a menudo para producir superficies asféricas y difractivas, con niveles excepcionales de precisión y calidad. Las superficies de lentes asféricas son deseables, particularmente cuando se trata de óptica infrarroja, mostrando aumentos significativos en el rendimiento óptico sobre sus contrapartes esféricas. Las superficies de lentes difractivas asféricas permiten la integración de múltiples funciones, como correcciones de aberraciones cromáticas y esféricas. Por lo tanto, las lentes producidas mediante el torneado de diamantes pueden combinar varios elementos, lo que reduce el tamaño y el peso totales.

El uso de recubrimientos de lentes duraderos y antirreflectantes también mejora el rendimiento óptico, sin ningún impacto en el tamaño o el peso de la lente. Los recubrimientos de lentes maximizan la transmisión al reducir las pérdidas por reflexión. Se pueden utilizar técnicas de recubrimiento avanzadas para producir recubrimientos a medida. Estos recubrimientos se pueden diseñar para satisfacer las necesidades de la industria de UAV, donde los drones se pueden implementar en una variedad de entornos, cada uno de los cuales presenta sus propios desafíos ópticos.

Lentes SWAP

Cuando se trata de ópticas para UAV, cargas útiles, drones y aplicaciones de dispositivos portátiles, su óptica debe incorporar las siguientes capacidades:

• Lentes de factor de forma pequeño para adaptarse a cardanes en miniatura;

• Zoom ultraligero y lentes de enfoque fijo;

• Alto rendimiento óptico;

• Bajo consumo de energía;

• Recubrimientos AR de alta durabilidad (HD) o carbono duro de baja reflexión (LRHC);

• Cambio rápido de FOV;

• Zoom continuo, con F# fijo mantenido en todo el rango de zoom;

• Visor de orificio con zoom preciso;

• Compatible con los principales detectores MWIR y LWIR;

• Diseño óptico de difracción limitada.

Conclusión

Las soluciones ópticas avanzadas son la clave para el rendimiento de la misión aérea para garantizar una alta calidad de imagen sin un alto costo en la carga útil del UAV. Los vehículos aéreos no tripulados y los drones equipados con lo último en detectores, software de procesamiento de imágenes y monitores también deben estar equipados con una lente de alto rendimiento, de lo contrario, se corre el riesgo de que la calidad de la imagen sea deficiente.

Las ópticas para vehículos aéreos no tripulados y drones deben cumplir con las estrictas restricciones conocidas como 'SWaP' ​​(tamaño, peso y consumo de energía). Cumplir con estas limitaciones presenta desafíos para los fabricantes de lentes ópticos, que deben ofrecer lentes compactos, livianos y de alto rendimiento para operar en condiciones ambientales adversas.

Estas restricciones se cumplen utilizando tecnologías de fabricación de vanguardia y diseños optomecánicos únicos. Como ejemplo, Ophir ha diseñado e implementado con éxito lentes de zoom IR avanzados con SWaP reducido basado en un diseño óptico plegado único, adecuado para un tamaño de píxel de 10 μm, así como conceptos opto-mecánicos livianos con distancias focales relativamente largas. Ambos lentes demuestran un rendimiento MTF cercano al límite de difracción y capacidades de identificación y visión de alta resolución y largo alcance en condiciones ambientales adversas y en plataformas restringidas.

Estos ensamblajes ópticos IR avanzados cumplen con los desafiantes requisitos de la industria de UAV y abren nuevas oportunidades en aplicaciones de imágenes térmicas de drones y UAV de próxima generación.

Este artículo fue escrito por el Dr. Kobi Lasri, Gerente General, Ophir Optronics Solutions, MKS Instruments Inc. (Jerusalén, Israel). Para obtener más información, póngase en contacto con el Dr. Lasri en Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Necesita habilitar JavaScript para verlo o visite aquí .

Referencias

1. Grupo verde azulado (2017).
2. Gettinger, D. (2017). Drones de Seguridad Pública. Obtenido de Centro para el Estudio del Drone.