Diseño de óptica IR de vanguardia para UAVs: rendimiento, SWaP y entornos hostiles

La industria de UAVs ha evolucionado y crecido significativamente en años recientes. Junto a este crecimiento, hemos visto el desarrollo de UAVs y drones con sistemas de imagen infrarroja cada vez más avanzados, que contienen detectores más grandes en tamaño y menores en tamaño de píxel, lo que presenta desafíos para la óptica de UAVs.

Calidad de lente para maximizar rendimiento de imagen

La calidad de la lente debe aumentar para maximizar el rendimiento de imagen en línea con las capacidades del detector, permitiendo visión de alta resolución. Tres factores cruciales siempre deben considerarse para asegurar que el ensamblaje óptico sea adecuado para UAVs y drones; estos se conocen como SWaP — Tamaño, Peso y Consumo de Energía. En otras palabras, la óptica debe ser compacta, ligera y con consumo de energía reducido, para permitir el máximo tiempo de vuelo.

Antecedentes: mercado UAV en crecimiento

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

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

En el mercado comercial de drones, las demandas han crecido. Drones comerciales con capacidades de imagen térmica juegan un papel prominente en inspección de líneas eléctricas, oleoductos, detección de incendios forestales y otras infraestructuras. Tales capacidades también se usan para asistir en operaciones de bomberos localizando y evaluando incendios, incluso cuando la visibilidad es pobre.

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

La solución: lentes de alta calidad para detectores de alto rendimiento

Lentes de alta calidad son esenciales para aprovechar los avances en rendimiento del detector. Una lente inferior producirá una imagen inferior, incluso con el mejor detector. Para igualar detectores de alto rendimiento con píxeles pequeños, 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 nuevas se basan en óptica plegada avanzada y lentes de zoom ligeros, optimizados para sistemas de imagen térmica infrarroja de próxima generación.

Diseño de lentes para UAVs y drones

Tecnologías de vanguardia se utilizan para cumplir requisitos ópticos de UAVs y drones. Estos incluyen diseños ópticos y mecánicos innovadores, materiales exóticos, y tecnologías únicas de fabricación y recubrimiento de lentes.

Lentes de zoom continuo: abordan desafío SWaP con alto rendimiento

Los lentes de zoom continuo abordan el desafío de bajo SWaP manteniendo alto rendimiento óptico. Estas lentes son más pequeñas y ligeras que usar múltiples lentes de 1-FOV. Además, un lente de zoom continuo permite mejor flexibilidad de misión al permitir cambios de aumento durante una operación de UAV.

Trabajando en colaboración con clientes de defensa y comerciales, Ophir, por ejemplo, ha desarrollado una gama de lentes de zoom de imagen térmica ligeros y de alto rendimiento diseñados específicamente para uso en cargas útiles de UAV, drones y dispositivos portátiles. Los lentes de zoom avanzados usan un diseño optomecánico sofisticado, para asegurar que las lentes sean las más pequeñas, ligeras y compactas, mientras logran altos niveles de rendimiento de imagen térmica IR.

La Figura 1(a) muestra el lente de zoom ligero LightIR 20-275mm f/5.5 y su disposición optomecánica. El diseño optomecánico innovador resultó en un peso de solo 264 gramos. A pesar de las restrictivas limitaciones SWaP, el diseño ligero avanzado resultó en un alto nivel de valores MTF a lo largo de todo el campo, como se muestra en la Figura 1(b). Además, la selección de materiales avanzados permitió propiedades de atermalización únicas, manteniendo el máximo rendimiento sobre un amplio rango de temperatura de operación, en el rango de -35°C a +65°C.

Las características de este lente conducen a rangos operacionales largos relativos al tamaño y peso del lente. Por ejemplo, el rango de detección de un vehículo de 2.3m sería alrededor de 15 km cuando se integra con un detector de 23mK NETD, píxel de 15µm (basado en cálculos del modelo FLIR92). Según nuestro conocimiento, este es el lente de zoom continuo más pequeño y ligero disponible hoy, permitiendo las capacidades de alto rendimiento de sistemas avanzados de imagen térmica IR en condiciones ambientales hostiles y plataformas restringidas.

Óptica plegada para cargas útiles gimbaladas compactas

Otro enfoque para abordar el desafío de bajo SWaP incluye configuraciones de óptica plegada diseñadas especialmente para cargas útiles gimbaladas compactas. Un ejemplo es el lente de zoom de óptica plegada 16-180mm f/3.6 de Ophir, optimizado para detectores MWIR de píxel 10µm.

La Figura 2(a) demuestra la disposición optomecánica y foto del lente de zoom 16-180mm f/3.6. El diseño se basa en una configuración estándar de relay y objetivo, con dos grupos móviles que permiten el cambio en la distancia focal. Los materiales se seleccionaron usando mejores prácticas, así como conceptos de atermalización y acromatización.

El diseño de óptica plegada permite longitudes ópticas largas para sensibilidad reducida a tolerancias, en configuración compacta, con número reducido de elementos ópticos, mientras aborda los diversos desafíos de tal concepto. Estos incluyen estabilización de línea de vista (LOS) y número reducido de elementos ópticos, basados en nuestras capacidades para producir superficies asféricas y difractivas con niveles excepcionales de precisión y calidad.

La Figura 2(b) muestra los resultados MTF como función de frecuencia espacial del diseño plegado 16-180mm para WFOV y NFOV, ilustrando las capacidades del diseño para obtener rendimiento cerca del límite de difracción. Como se ve, el alto rendimiento MTF de este diseño se mantiene a lo largo de todo el campo y, incluso en las esquinas, el rendimiento es más que razonable.

Tecnología de torneado de diamante y recubrimientos avanzados

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 lente asféricas son deseables, particularmente en óptica infrarroja, mostrando aumentos significativos en rendimiento óptico sobre sus contrapartes esféricas. Las superficies de lente Asférico-Difractivo permiten la integración de múltiples funciones, como correcciones de aberración cromática y esférica. Los lentes producidos por torneado de diamante pueden combinar múltiples elementos, reduciendo tamaño y peso total.

El uso de recubrimientos de lente duraderos, anti-reflectantes también mejora el rendimiento óptico, sin ningún impacto en el tamaño o peso del lente. Los recubrimientos de lente maximizan la transmisión reduciendo pérdidas por reflexión. Técnicas avanzadas de recubrimiento pueden usarse para producir recubrimientos a medida. Estos recubrimientos pueden diseñarse para satisfacer las necesidades de la industria UAV, donde los drones pueden desplegarse en una variedad de entornos, cada uno presentando sus propios desafíos ópticos.

Resumen de capacidades de lentes SWaP

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

• Lentes de factor de forma pequeño para ajustarse a gimbales miniatura
• Lentes de zoom y foco fijo ultra-ligeros
• Alto rendimiento óptico
• Bajo consumo de energía
• Recubrimientos AR de alta durabilidad (HD) o carbono duro baja reflexión (LRHC)
• Cambio rápido de FOV
• Zoom continuo, con F# fijo mantenido a lo largo de todo el rango de zoom
• Mira bore precisa a través del zoom
• Compatibles con detectores MWIR y LWIR principales
• Diseño óptico limitado por difracción

Conclusión

Las soluciones ópticas avanzadas son la clave para el rendimiento de misiones aéreas para calidad de imagen garantizada sin un alto costo en la carga útil del UAV. Los UAVs y drones equipados con los detectores definitivos, software de procesamiento de imagen y monitores también deben equiparse con una lente de alto rendimiento, de lo contrario arriesgan mala calidad de imagen.

La óptica para UAVs y drones debe cumplir las estrictas restricciones conocidas como 'SWaP' (Tamaño, Peso y Consumo de Energía). Cumplir estas restricciones presenta desafíos a los fabricantes de lentes ópticos, que deben entregar lentes compactos, ligeros y de alto rendimiento para operar bajo condiciones ambientales hostiles.

Estas restricciones se cumplen usando 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 basados en un diseño único de óptica plegada, adecuados para tamaño de píxel 10µm, así como conceptos optomecánicos ligeros con distancias focales relativamente largas. Ambos lentes demuestran rendimiento MTF cerca del límite de difracción y capacidades para visión e identificación de largo alcance, alta resolución en condiciones ambientales hostiles y plataformas restringidas.

Tales ensamblajes ópticos IR avanzados cumplen los desafiantes requisitos de la industria UAV y abren nuevas oportunidades en aplicaciones de imagen térmica de UAV y drones de próxima generación.

Este artículo fue escrito por Dr. Kobi Lasri, Gerente General, Ophir Optronics Solutions, MKS Instruments Inc. (Jerusalén, Israel). Para más información, contacte al Dr. Lasri en [email protegido], o visite aquí.

Referencias

1. Teal Group (2017).
2. Gettinger, D. (2017). Public Safety Drones. Recuperado del Centro para el Estudio del Drone.