Conception d'assemblages optiques infrarouges avancés pour les drones

L'industrie des drones a considérablement évolué et s'est développée ces dernières années. Parallèlement à cette croissance, nous avons assisté au développement de drones et de drones dotés de systèmes d'imagerie infrarouge de plus en plus avancés, contenant des détecteurs de plus grande taille et de plus petite taille de pixels, ce qui présente des défis pour l'optique des drones.

La qualité de l'objectif doit augmenter afin de maximiser les performances d'imagerie en ligne avec les capacités du détecteur, permettant une vision à haute résolution. Trois facteurs cruciaux doivent toujours être pris en compte pour garantir que l'ensemble optique convient aux UAV et aux drones ; ceux-ci sont connus sous le nom de SWaP - Taille, poids et consommation d'énergie. En d'autres termes, l'optique doit être compacte, légère et avec une consommation d'énergie réduite, afin de permettre un temps de vol maximal.

Le défi incombe aux fabricants d'optiques de concevoir et de produire des optiques avec une image nette et nette sur toute la plage de zoom, et une MTF (fonction de transfert de modulation) proche de la limite de diffraction, tout en respectant les exigences SWaP strictes. L'optique doit également être capable de résister aux conditions environnementales difficiles associées à diverses applications d'UAV et de drones, comme dans l'industrie de la défense.

Contexte

L'industrie des véhicules aériens sans pilote (UAV) connaît une croissance rapide, les analystes du groupe Teal estimant que la production mondiale d'UAV atteindra 135 milliards de dollars au cours des dix prochaines années. Lorsqu'ils sont équipés de charges utiles de caméra EO/IR hautes performances, les UAV et les drones se prêtent à une large gamme d'applications d'imagerie.

Le marché des drones comprend des applications de défense, gouvernementales et commerciales. Dans le domaine de la défense et du gouvernement, les drones sont utilisés pour la surveillance militaire et policière, le contrôle des frontières, la sécurité et les opérations de recherche et de sauvetage. Entre 2009 et début 2017, au moins 347 organismes d'application de la loi et d'intervention d'urgence aux États-Unis ont acquis des drones.

Sur le marché des drones commerciaux, les demandes ont augmenté. Les drones commerciaux dotés de capacités d'imagerie thermique jouent un rôle de premier plan dans l'inspection des lignes électriques, des oléoducs, de la détection des incendies de forêt et d'autres infrastructures. Ces capacités sont également utilisées pour aider aux opérations de lutte contre les incendies en localisant et en évaluant les incendies, même lorsque la visibilité est mauvaise.

Alors que la technologie UAV est appliquée dans une variété croissante de tâches sophistiquées, nous constatons un besoin croissant de maximiser les performances d'imagerie. Des besoins optiques spécifiques sont présentés par l'augmentation susmentionnée de la résolution et de la taille du détecteur, avec sa diminution concomitante de la taille des pixels. La production de drones plus petits à usage commercial augmente également les défis auxquels sont confrontés les fabricants d'optique.

La solution

Des lentilles de haute qualité sont essentielles pour tirer parti des avancées en matière de performances des détecteurs. Une lentille inférieure produira une image inférieure, même avec le meilleur détecteur. Afin de correspondre aux détecteurs de petits pixels hautes performances, des F # plus faibles et des tolérances plus strictes sont nécessaires, formant des lentilles avec un minimum d'aberrations. Pour répondre à ces exigences, les objectifs doivent également avoir une longue focale, pour capturer des images à grande distance. Les solutions les plus récentes sont basées sur des optiques pliées avancées et des zooms légers, optimisés pour les systèmes d'imagerie thermique infrarouge de nouvelle génération.

Conception d'objectifs pour drones et drones

Des technologies de pointe sont utilisées pour répondre aux exigences optiques des UAV et des drones. Il s'agit notamment de conceptions optiques et mécaniques innovantes, de matériaux exotiques et de technologies uniques de fabrication et de revêtement de verres.

Les objectifs à zoom continu relèvent le défi du faible SWaP tout en conservant des performances optiques élevées. Ces lentilles sont plus petites et plus légères que l'utilisation de plusieurs lentilles 1-FOV. De plus, un objectif à zoom continu permet une meilleure flexibilité de la mission en permettant des changements de grossissement pendant une opération UAV.

Travaillant en collaboration avec des clients de la défense et commerciaux, Ophir, par exemple, a développé une gamme de zooms d'imagerie thermique légers et hautes performances spécialement conçus pour être utilisés dans les charges utiles d'UAV, les drones et les appareils portables. Les objectifs zoom avancés utilisent une conception optomécanique sophistiquée, pour garantir que les objectifs sont les plus petits, les plus légers et les plus compacts, tout en atteignant les niveaux élevés de performance d'imagerie thermique IR.

La figure 1(a) montre l'objectif zoom léger LightIR 20-275 mm f/5,5 et sa disposition opto-mécanique. La conception opto-mécanique innovante a entraîné un poids de seulement 264 grammes. Malgré les restrictions SWaP difficiles, la conception légère avancée a entraîné un niveau élevé de valeurs MTF sur l'ensemble du champ, comme le montre la figure 1 (b). De plus, la sélection de matériaux avancés a permis des propriétés d'athermalisation uniques, en maintenant les meilleures performances sur une large plage de températures de fonctionnement, dans la plage de -35 °C à +65 °C.

Les caractéristiques de cet objectif conduisent à de longues plages de fonctionnement par rapport à la taille et au poids de l'objectif. Par exemple, la portée de détection d'un véhicule de 2,3 m serait d'environ 15 km lorsqu'il est intégré à un détecteur de pixels 23 mK NETD, 15 μm (basé sur les calculs du modèle FLIR92). À notre connaissance, il s'agit de l'objectif à zoom continu le plus petit et le plus léger disponible à ce jour, permettant les capacités hautes performances des systèmes d'imagerie thermique infrarouge avancés dans des conditions environnementales difficiles et sur des plates-formes contraintes.

Une autre approche pour relever le défi du faible SWaP comprend des configurations à optique pliée conçues spécialement pour les charges utiles compactes à cardan. Un exemple est l'objectif zoom 16-180mm f/3.6 à optique pliée d'Ophir, optimisé pour les détecteurs de pixels MWIR 10μm.

La figure 2(a) montre la disposition optomécanique et l'image de l'objectif zoom 16-180 mm f/3,6. La conception est basée sur une configuration standard de relais et d'objectif, avec deux groupes mobiles qui permettent le changement de la distance focale. Les matériaux ont été sélectionnés selon les meilleures pratiques, ainsi que les concepts d'athermalisation et d'achromatisation.

La conception à optique repliée permet de grandes longueurs optiques pour une sensibilité réduite aux tolérances, dans une configuration compacte, avec un nombre réduit d'éléments optiques, tout en relevant les différents défis d'un tel concept. Celles-ci incluent la stabilisation de la ligne de visée (LOS) et un nombre réduit d'éléments optiques, basés sur nos capacités à produire des surfaces asphériques et diffractives avec des niveaux de précision et de qualité exceptionnels.

La figure 2 (b) montre les résultats MTF en fonction de la fréquence spatiale de la conception pliée de 16 à 180 mm pour le WFOV et le NFOV, illustrant les capacités de la conception à obtenir des performances proches de la limite de diffraction. Comme on peut le voir, les performances MTF élevées de cette conception sont maintenues sur l'ensemble du terrain et, même dans les virages, les performances sont plus que raisonnables.

La technologie du tournage au diamant est souvent utilisée pour produire des surfaces asphériques et diffractives, avec des niveaux de précision et de qualité exceptionnels. Les surfaces de lentilles asphériques sont souhaitables, en particulier en ce qui concerne l'optique infrarouge, montrant des augmentations significatives des performances optiques par rapport à leurs homologues sphériques. Les surfaces des lentilles asphériques-diffractives permettent l'intégration de plusieurs fonctions, telles que les corrections d'aberration chromatique et sphérique. Les lentilles produites par tournage au diamant peuvent donc combiner plusieurs éléments, réduisant ainsi la taille et le poids globaux.

L'utilisation de revêtements de lentille antireflets durables améliore également les performances optiques, sans aucun impact sur la taille ou le poids de la lentille. Les revêtements de lentille maximisent la transmission en réduisant les pertes de réflexion. Des techniques de revêtement avancées peuvent être utilisées pour produire des revêtements sur mesure. Ces revêtements peuvent être conçus pour répondre aux besoins de l'industrie des drones, où les drones peuvent être déployés dans une variété d'environnements, chacun présentant ses propres défis optiques.

Objectifs SWaP

En ce qui concerne les optiques pour les drones, les charges utiles, les drones et les applications d'appareils portables, vos optiques doivent intégrer les fonctionnalités suivantes :

• Lentilles à petit facteur de forme pour s'adapter aux cardans miniatures ;

• Zoom ultra-léger et objectifs à mise au point fixe ;

• Haute performance optique ;

• Faible consommation d'énergie ;

• Revêtements AR haute durabilité (HD) ou carbone dur à faible réflexion (LRHC) ;

• Changement de FOV rapide ;

• Zoom continu, avec F# fixe maintenu sur toute la plage de zoom ;

• Viseur d'alésage à zoom précis ;

• Compatible avec les principaux détecteurs MWIR et LWIR ;

• Conception optique à diffraction limitée.

Conclusion

Les solutions optiques avancées sont la clé des performances des missions aéroportées pour une qualité d'image élevée garantie sans alourdir la charge utile du drone. Les drones et drones équipés des meilleurs détecteurs, logiciels de traitement d'image et moniteurs doivent également être équipés d'un objectif haute performance, sous peine de risquer une mauvaise qualité d'image.

Les optiques pour drones et drones doivent répondre à des contraintes strictes dites « SWaP » (Taille, Poids et Consommation électrique). Répondre à ces contraintes présente des défis pour les fabricants de verres optiques, qui doivent fournir des verres compacts, légers et performants pour fonctionner dans des conditions environnementales difficiles.

Ces contraintes sont respectées grâce à des technologies de fabrication de pointe et à des conceptions opto-mécaniques uniques. À titre d'exemple, Ophir a conçu et mis en œuvre avec succès des zooms infrarouges avancés avec un SWaP réduit basé sur une conception unique à optique pliée, adaptée à une taille de pixel de 10 μm, ainsi que des concepts opto-mécaniques légers avec des distances focales relativement longues. Les deux lentilles présentent des performances MTF proches de la limite de diffraction et des capacités de vision et d'identification à longue portée et haute résolution dans des conditions environnementales difficiles et sur des plates-formes contraintes.

Ces assemblages optiques infrarouges avancés répondent aux exigences exigeantes de l'industrie des drones et ouvrent de nouvelles opportunités dans les applications d'imagerie thermique des drones et des drones de nouvelle génération.

Cet article a été rédigé par le Dr Kobi Lasri, directeur général, Ophir Optronics Solutions, MKS Instruments Inc. (Jérusalem, Israël). Pour plus d'informations, contactez le Dr Lasri à Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer le JavaScript pour la voir., ou visitez ici .

Références

1. Groupe Teal (2017).
2. Gettinger, D. (2017). Drones de sécurité publique. Extrait du Centre d'étude du drone.