Projetando conjuntos ópticos de infravermelho avançados para UAVs

A indústria de UAV evoluiu e cresceu significativamente nos últimos anos. Paralelamente a esse crescimento, vimos o desenvolvimento de UAVs e drones com sistemas de imagem infravermelha cada vez mais avançados, contendo detectores maiores em tamanho e menores em tamanho de pixel, o que apresenta desafios para a óptica de UAV.

A qualidade da lente deve aumentar para maximizar o desempenho da imagem de acordo com os recursos do detector, permitindo visão de alta resolução. Três fatores cruciais devem sempre ser considerados para garantir que o conjunto óptico seja adequado para UAVs e drones; estes são conhecidos como SWaP - Tamanho, Peso e Consumo de energia. Em outras palavras, a ótica deve ser compacta, leve e com consumo de energia reduzido, para permitir o máximo tempo de voo.

O desafio recai sobre os fabricantes de óptica para projetar e produzir óptica com uma imagem nítida e limpa em toda a faixa de zoom e um MTF (função de transferência de modulação) próximo ao limite de difração, atendendo aos rigorosos requisitos SWaP. A óptica também deve ser capaz de suportar as condições ambientais adversas associadas a várias aplicações de UAV e drone, como na indústria de defesa.

Plano de fundo

A indústria de veículos aéreos não tripulados (UAV) está crescendo rapidamente, com analistas do Teal Group estimando que a produção mundial de UAV totalizará US$ 135 bilhões nos próximos dez anos. Quando equipados com cargas úteis de câmera EO/IR de alto desempenho, UAVs e drones se prestam a uma ampla gama de aplicações de imagem.

O mercado de drones consiste em aplicações de defesa, governo e comerciais. Na área de defesa e governo, os drones são usados ​​para vigilância militar e policial, controle de fronteiras, segurança e operações de busca e salvamento. Entre 2009 e o início de 2017, pelo menos 347 agências policiais e de emergência nos EUA adquiriram drones.

No mercado de drones comerciais, as demandas vêm crescendo. Os drones comerciais com recursos de imagem térmica estão desempenhando um papel proeminente na inspeção de linhas de energia elétrica, oleodutos, detecção de incêndios florestais e outras infraestruturas. Esses recursos também são usados ​​para auxiliar nas operações de combate a incêndios, localizando e avaliando incêndios, mesmo quando a visibilidade é ruim.

À medida que a tecnologia UAV é aplicada em uma variedade crescente de tarefas sofisticadas, vemos uma necessidade crescente de maximizar o desempenho da imagem. Necessidades ópticas específicas são apresentadas pelo aumento acima mencionado na resolução e tamanho do detector, com a consequente diminuição no tamanho do pixel. A produção de drones menores para uso comercial também aumenta os desafios enfrentados pelos fabricantes de óptica.

A solução

Lentes de alta qualidade são essenciais para alavancar os avanços no desempenho do detector. Uma lente inferior produzirá uma imagem inferior, mesmo com o melhor detector. Para corresponder a detectores de pixels pequenos de alto desempenho, são necessários F#s mais baixos e tolerâncias mais apertadas, formando lentes com aberrações mínimas. Para atender a esses requisitos, as lentes também devem ter uma distância focal longa, para capturar imagens de grandes distâncias. As soluções mais recentes são baseadas em ópticas dobradas avançadas e lentes de zoom leves, otimizadas para os sistemas de imagem térmica infravermelha de próxima geração.

Projetando lentes para UAVs e drones

Tecnologias de ponta estão sendo utilizadas para atender aos requisitos ópticos de UAV e drone. Isso inclui designs ópticos e mecânicos inovadores, materiais exóticos e tecnologias exclusivas de fabricação e revestimento de lentes.

As lentes de zoom contínuo abordam o desafio de baixo SWaP, mantendo o alto desempenho óptico. Essas lentes são menores e mais leves do que usar várias lentes 1-FOV. Além disso, uma lente de zoom contínuo permite uma melhor flexibilidade de missão, permitindo alterações na ampliação durante uma operação de UAV.

Trabalhando em colaboração com clientes comerciais e de defesa, a Ophir, por exemplo, desenvolveu uma gama de lentes de zoom de imagem térmica leves e de alto desempenho projetadas especificamente para uso em cargas úteis de UAV, drones e dispositivos portáteis. As lentes de zoom avançadas usam um design optomecânico sofisticado, para garantir que as lentes sejam as menores, mais leves e mais compactas, enquanto ainda alcançam os altos níveis de desempenho de imagem térmica IR.

A Figura 1(a) mostra a lente zoom leve LightIR 20-275mm f/5.5 e seu layout opto-mecânico. O design opto-mecânico inovador resultou em um peso de apenas 264 gramas. Apesar das restrições desafiadoras do SWaP, o design leve avançado resultou em um alto nível de valores de MTF em todo o campo, conforme mostrado na Figura 1(b). Além disso, a seleção de materiais avançados possibilitou propriedades únicas de termalização, mantendo o mais alto desempenho em uma ampla temperatura de operação, na faixa de -35°C a +65°C.

As características desta lente levam a longos intervalos operacionais em relação ao tamanho e peso da lente. Por exemplo, o alcance de detecção de um veículo de 2,3 m seria de cerca de 15 km quando integrado a um detector de pixels de 23 mK NETD e 15 μm (com base nos cálculos do modelo FLIR92). Até onde sabemos, esta é a menor e mais leve lente de zoom contínuo disponível atualmente, permitindo os recursos de alto desempenho de sistemas avançados de imagem térmica IR em condições ambientais adversas e em plataformas restritas.

Outra abordagem para enfrentar o desafio de baixo SWaP inclui configurações de óptica dobrada que são projetadas especialmente para cargas úteis compactas suspensas. Um exemplo é a lente zoom ótica dobrada 16-180mm f/3.6 da Ophir, otimizada para detectores de pixel MWIR 10μm.

A Figura 2(a) demonstra o layout optomecânico e a imagem da lente zoom 16-180mm f/3.6. O projeto é baseado em um relé padrão e configuração objetiva, com dois grupos móveis que permitem a mudança na distância focal. Os materiais foram selecionados utilizando as melhores práticas, bem como os conceitos de atermalização e acromatização.

O design óptico dobrado permite comprimentos ópticos longos para sensibilidade reduzida às tolerâncias, em uma configuração compacta, com um número reduzido de elementos ópticos, ao mesmo tempo em que aborda os vários desafios desse conceito. Isso inclui estabilização de linha de visão (LOS) e um número reduzido de elementos ópticos, com base em nossa capacidade de produzir superfícies asféricas e difrativas com níveis excepcionais de precisão e qualidade.

A Figura 2(b) mostra os resultados de MTF em função da frequência espacial do projeto dobrado de 16-180 mm para WFOV e NFOV, ilustrando as capacidades do projeto para obter desempenho próximo ao limite de difração. Como pode ser visto, o alto desempenho MTF deste design é mantido em todo o campo e, mesmo nos cantos, o desempenho é mais do que razoável.

A tecnologia de torneamento de diamante é frequentemente usada para produzir superfícies asféricas e difrativas, com níveis excepcionais de precisão e qualidade. Superfícies de lentes asféricas são desejáveis, principalmente quando se trata de óptica infravermelha, mostrando aumentos significativos no desempenho óptico em relação às suas contrapartes esféricas. As superfícies das lentes asféricas-difrativas permitem a integração de múltiplas funções, como correções de aberrações cromáticas e esféricas. As lentes produzidas por torneamento diamantado podem, portanto, combinar vários elementos, reduzindo o tamanho e o peso totais.

O uso de revestimentos de lentes antirreflexo duráveis ​​também melhora o desempenho óptico, sem qualquer impacto no tamanho ou peso da lente. Os revestimentos das lentes maximizam a transmissão reduzindo as perdas de reflexão. Técnicas avançadas de revestimento podem ser usadas para produzir revestimentos sob medida. Esses revestimentos podem ser projetados para atender às necessidades da indústria de UAV, onde os drones podem ser implantados em diversos ambientes, cada um apresentando seus próprios desafios ópticos.

Lentes SWaP

Quando se trata de ótica para UAVs, cargas úteis, drones e aplicativos de dispositivos portáteis, sua ótica deve incorporar os seguintes recursos:

• 
  Lentes de formato pequeno para caber em gimbals em miniatura;
  
• 
  Zoom ultraleve e lentes de foco fixo;
  
• 
  Alto desempenho óptico;
  
• 
  Baixo consumo de energia;
  
• 
  Revestimentos AR de alta durabilidade (HD) ou de carbono duro de baixa reflexão (LRHC);
  
• 
  Mudança rápida de FOV;
  
• 
  Zoom contínuo, com F# fixo mantido em toda a faixa de zoom;
  
• 
  Visão precisa através do zoom;
  
• 
  Compatível com os principais detectores MWIR e LWIR;
  
• 
  Design óptico limitado por difração.
  

Conclusão

Soluções ópticas avançadas são a chave para o desempenho da missão aérea para garantir alta qualidade de imagem sem um alto custo na carga útil do UAV. UAVs e drones equipados com os melhores detectores, software de processamento de imagem e monitores também devem ser equipados com uma lente de alto desempenho, caso contrário, correm o risco de baixa qualidade de imagem.

A óptica para UAVs e drones deve atender às restrições estritas conhecidas como 'SWaP' ​​(tamanho, peso e consumo de energia). Atender a essas restrições apresenta desafios para os fabricantes de lentes ópticas, que devem fornecer lentes compactas, leves e de alto desempenho para operar em condições ambientais adversas.

Essas restrições são atendidas usando tecnologias de fabricação de ponta e projetos opto-mecânicos exclusivos. Como exemplo, a Ophir projetou e implementou com sucesso lentes de zoom IR avançadas com SWaP reduzido com base em um design óptico dobrado exclusivo, adequado para tamanho de pixel de 10 μm, bem como conceitos opto-mecânicos leves com distâncias focais relativamente longas. Ambas as lentes demonstram desempenho MTF próximo ao limite de difração e recursos para visão e identificação de longo alcance e alta resolução em condições ambientais adversas e em plataformas restritas.

Esses conjuntos ópticos IR avançados atendem aos requisitos desafiadores da indústria de UAV e abrem novas oportunidades em aplicações de imagem térmica de UAV e drone de próxima geração.

Este artigo foi escrito pelo Dr. Kobi Lasri, Gerente Geral, Ophir Optronics Solutions, MKS Instruments Inc. (Jerusalém, Israel). Para mais informações, entre em contato com o Dr. Lasri em Este endereço de e-mail está protegido contra spambots. Você precisa habilitar o JavaScript para visualizá-lo., ou visite aqui .

Referências

1. Grupo Teal (2017).
2. Gettinger, D. (2017). Drones de Segurança Pública. Recuperado do Centro para o Estudo do Drone.