Conception d'optiques IR de pointe pour UAVs : défis SWaP et solutions

L'industrie des UAVs a significativement évolué et grandi ces dernières années. Parallèlement à cette croissance, on a vu le développement d'UAVs et drones avec des systèmes d'imagerie infrarouge de plus en plus avancés, contenant des détecteurs plus grands en taille et plus petits en taille de pixel, ce qui pose des défis pour l'optique des UAVs.

SWaP : Taille, Poids, Consommation — trois facteurs cruciaux

La qualité des lentilles doit augmenter pour maximiser la performance d'imagerie en ligne avec les capacités des détecteurs, permettant une vision haute résolution. Trois facteurs cruciaux doivent toujours être considérés pour assurer que l'assemblage optique est adapté aux UAVs et drones ; ce sont le SWaP — Taille (Size), Poids (Weight), et Consommation d'énergie (Power consumption). En d'autres termes, l'optique doit être compacte, légère, et à consommation d'énergie réduite, afin de permettre un temps de vol maximal.

Défi pour les fabricants d'optique

Le défi incombe aux fabricants d'optique de concevoir et produire des optiques avec une image nette et propre sur toute la plage de zoom, et un TFM (fonction de transfert de modulation) proche de la limite de diffraction, tout en respectant les exigences strictes SWaP. Les optiques doivent aussi résister aux conditions environnementales rudes associées aux diverses applications UAV et drones, comme dans l'industrie de la défense.

Contexte : marché UAV en forte croissance

L'industrie des véhicules aériens sans pilote (UAV) croît rapidement, avec des analystes du Teal Group estimant que la production mondiale d'UAVs totalisera 135 milliards de dollars dans les dix prochaines années. Équipés de charges utiles caméra EO/IR haute performance, les UAVs et drones s'adaptent à une large gamme d'applications d'imagerie.

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

Dans le marché commercial des drones, les demandes croissent. Les drones commerciaux avec capacités d'imagerie thermique jouent un rôle proéminent dans l'inspection de lignes électriques, pipelines pétroliers, détection d'incendies de forêt, et autres infrastructures. De telles capacités sont aussi utilisées pour assister les opérations de lutte contre l'incendie en localisant et évaluant les feux, même quand la visibilité est pauvre.

Comme la technologie UAV est appliquée à une variété croissante de tâches sophistiquées, on voit un besoin croissant de maximiser la performance d'imagerie. Des besoins optiques spécifiques sont présentés par l'augmentation mentionnée de la résolution et taille du détecteur, avec sa diminution accompagnante de la taille de pixel. La production de drones plus petits pour usage commercial augmente aussi les défis pour les fabricants d'optique.

La solution : lentilles haute performance pour détecteurs petits pixels

Des lentilles de haute qualité sont essentielles pour tirer parti des avancées dans la performance des détecteurs. Une lentille inférieure produira une image inférieure, même avec le meilleur détecteur. Pour matcher des détecteurs haute performance à petits pixels, des nombres F# plus bas et des tolérances plus serrées sont requis, formant des lentilles avec des aberrations minimales. Pour répondre à ces exigences, les lentilles doivent aussi avoir une longue distance focale, pour capturer des images à grandes distances. Les solutions les plus récentes sont basées sur l'optique repliée avancée et des lentilles zoom légères, optimisées pour les systèmes d'imagerie thermique infrarouge de prochaine génération.

Conception de lentilles pour UAVs et drones

Des technologies de pointe sont utilisées pour répondre aux exigences optiques des UAVs et drones. Celles-ci incluent des designs optiques et mécaniques innovants, matériaux exotiques, et technologies uniques de fabrication et revêtement de lentilles.

Lentilles zoom continues : réponse au défi SWaP

Les lentilles zoom continues adressent le défi faible-SWaP tout en gardant une haute performance optique. Ces lentilles sont plus petites et plus légères que l'utilisation de multiples lentilles 1-FOV. De plus, une lentille zoom continue permet une meilleure flexibilité de mission en permettant des changements de grossissement pendant une opération UAV.

En collaboration avec des clients défense et commerciaux, Ophir, par exemple, a développé une gamme de lentilles zoom légères, haute performance, pour imagerie thermique, conçues spécifiquement pour charges utiles UAV, drones, et dispositifs portables. Les lentilles zoom avancées utilisent un design optomécanique sophistiqué, pour garantir que les lentilles sont les plus petites, légères, et compactes, tout en atteignant les hauts niveaux de performance d'imagerie thermique IR.

Exemple : LightIR 20-275mm f/5.5 — 264 grammes

La figure 1(a) montre la lentille zoom légère LightIR 20-275mm f/5.5 et sa disposition optomécanique. Le design optomécanique innovant a résulté en un poids de seulement 264 grammes. Malgré les restrictions SWaP difficiles, le design léger avancé a résulté en un haut niveau de valeurs TFM sur tout le champ, comme montré en Figure 1(b). De plus, la sélection de matériaux avancés a permis des propriétés d'athermalisation uniques, maintenant la plus haute performance sur une large plage de température de fonctionnement, de -35°C à +65°C.

Les caractéristiques de cette lentille mènent à de longues portées opérationnelles relatives à la taille et au poids de la lentille. Par exemple, la portée de détection d'un véhicule de 2,3 m serait d'environ 15 km quand intégrée avec un détecteur 23mK NETD, pixel 15µm (basé sur calculs modèle FLIR92). À notre connaissance, c'est la plus petite et légère lentille zoom continue disponible aujourd'hui, permettant les capacités haute performance de systèmes d'imagerie thermique IR avancés dans conditions environnementales rudes et sur plateformes contraintes.

Approche alternative : optique repliée pour nacelles compactes

Une autre approche pour adresser le défi faible SWaP inclut des configurations d'optique repliée conçues spécialement pour charges utiles nacelles compactes. Un exemple est la lentille zoom 16-180mm f/3.6 à optique repliée d'Ophir, optimisée pour détecteurs MWIR pixel 10µm.

La figure 2(a) démontre la disposition optomécanique et photo de la lentille zoom 16-180mm f/3.6. Le design est basé sur une configuration relais et objectif standard, avec deux groupes mobiles permettant le changement de distance focale. Les matériaux étaient sélectionnés selon les meilleures pratiques, ainsi que les concepts d'athermalisation et d'achromatisation.

Le design à optique repliée permet de longues longueurs optiques pour une sensibilité réduite aux tolérances, dans une configuration compacte, avec un nombre réduit d'éléments optiques, tout en adressant les divers défis d'un tel concept. Ceux-ci incluent la stabilisation de la ligne de visée (LOS), et un nombre réduit d'éléments optiques, basé sur nos capacités de production de surfaces asphériques et diffractives avec des niveaux exceptionnels de précision et qualité.

La figure 2(b) montre les résultats TFM en fonction de la fréquence spatiale du design replié 16-180mm pour le WFOV et NFOV, illustrant les capacités du design à obtenir une performance proche de la limite de diffraction. Comme on peut le voir, la haute performance TFM de ce design est maintenue sur tout le champ et, même aux coins, la performance est plus que raisonnable.

Tournage diamant : surfaces asphériques et diffractives

La technologie de tournage diamant est souvent utilisée pour produire des surfaces asphériques et diffractives, avec des niveaux exceptionnels de précision et qualité. Les surfaces de lentilles asphériques sont désirables, particulièrement pour l'optique infrarouge, montrant des augmentations significatives de performance optique par rapport à leurs homologues sphériques. Les surfaces de lentilles Asphérique-Diffractive permettent l'intégration de multiples fonctions, comme les corrections d'aberration chromatique et sphérique. Les lentilles produites par tournage diamant peuvent donc combiner plusieurs éléments, réduisant la taille et le poids globaux.

Revêtements antireflets durables

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

Checklist : Capacités des lentilles SWaP pour UAVs

Quand il s'agit d'optiques pour UAVs, charges utiles, drones, et applications dispositifs portables, vos optiques devraient incorporer les capacités suivantes :

• Lentilles à faible encombrement pour nacelles miniatures ;
• Lentilles zoom et focale fixe ultra-légères ;
• Haute performance optique ;
• Faible consommation d'énergie ;
• Revêtements AR haute durabilité (HD) ou carbone dur faible réflexion (LRHC) ;
• Changement rapide de champ de vision (FOV) ;
• Zoom continu, avec F# fixe maintenu sur toute la plage de zoom ;
• Alignement précis à travers le zoom ;
• Compatibles avec les principaux détecteurs MWIR et LWIR ;
• Design optique limité par la diffraction.

Conclusion

Les solutions optiques avancées sont la clé de la performance des missions aéroportées pour une qualité d'imagerie garantie sans péage lourd sur la charge utile UAV. Les UAVs et drones équipés des détecteurs ultimes, logiciels de traitement d'image, et moniteurs doivent aussi être équipés d'une lentille haute performance, sinon risquant une mauvaise qualité d'image.

L'optique pour UAVs et drones doit rencontrer les contraintes strictes connues sous le nom de « SWaP » (Taille, Poids, et Consommation d'énergie). Rencontrer ces contraintes pose des défis aux fabricants de lentilles optiques, qui doivent livrer des lentilles compactes, légères, et haute performance pour opérer sous conditions environnementales rudes.

Ces contraintes sont rencontrées en utilisant des technologies de fabrication de pointe, et des designs optomécaniques uniques. Comme exemple, Ophir a conçu et implémenté avec succès des lentilles zoom IR avancées avec SWaP réduit basées sur un design unique d'optique repliée, adapté pour taille de pixel 10µm, ainsi que des concepts optomécaniques légers avec distances focales relativement longues. Les deux lentilles démontrent une performance TFM proche de la limite de diffraction, et capacités pour vision et identification haute résolution longue portée dans conditions environnementales rudes et sur plateformes contraintes.

De tels assemblages optiques IR avancés rencontrent les exigences difficiles de l'industrie UAV et ouvrent de nouvelles opportunités dans les applications d'imagerie thermique UAV et drone de prochaine génération.

Cet article a été écrit par Dr. Kobi Lasri, Directeur Général, Ophir Optronics Solutions, MKS Instruments Inc. (Jérusalem, Israël). Pour plus d'information, contactez Dr. Lasri à l'adresse email protégée, ou visitez ici.

Références

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