UAV用の高度なIR光学アセンブリの設計

UAV業界は、近年大幅に進化し、成長してきました。この成長に伴い、UAV光学系に課題をもたらす、サイズが大きくピクセルサイズが小さい検出器を含む、ますます高度な赤外線イメージングシステムを備えたUAVとドローンの開発が見られました。

検出器の機能に沿ってイメージング性能を最大化し、高解像度の視力を可能にするには、レンズの品質を向上させる必要があります。光学アセンブリがUAVとドローンに適していることを確認するには、3つの重要な要素を常に考慮する必要があります。これらはSWaPとして知られています-サイズ、重量、および消費電力。言い換えれば、最大の飛行時間を可能にするために、光学部品はコンパクトで軽量で、消費電力が削減されている必要があります。

厳しいSWaP要件を満たしながら、ズーム範囲全体にわたって鮮明でクリーンな画像を備え、回折限界に近いMTF（変調伝達関数）を備えた光学部品を設計および製造するという課題は、光学メーカーにあります。光学機器は、防衛産業など、さまざまなUAVやドローンのアプリケーションに関連する過酷な環境条件にも耐えることができなければなりません。

背景

無人航空機（UAV）業界は急速に成長しており、ティールグループのアナリストは、世界のUAV生産量は今後10年間で合計1,350億ドルになると予測しています。高性能EO/IRカメラペイロードを装備すると、UAVとドローンは幅広いイメージングアプリケーションに役立ちます。

ドローン市場は、防衛、政府、および商用アプリケーションで構成されています。防衛と政府の分野では、ドローンは軍と警察の監視、国境管理、セキュリティ、捜索救助活動に使用されます。 2009年から2017年の初めにかけて、米国の少なくとも347の法執行機関と緊急対応機関がドローンを買収しました。

商用ドローン市場では、需要が高まっています。熱画像機能を備えた商用ドローンは、電力線、石油パイプライン、森林火災の検出、およびその他のインフラストラクチャの検査で重要な役割を果たしています。このような機能は、視界が悪い場合でも、火災の場所を特定して評価することにより、消防活動を支援するためにも使用されます。

UAVテクノロジーがますます多様な高度なタスクに適用されるにつれて、イメージングパフォーマンスを最大化する必要性が高まっていることがわかります。特定の光学的ニーズは、前述の検出器の解像度とサイズの増加とそれに伴うピクセルサイズの減少によって表されます。商用利用のための小型ドローンの生産も、光学メーカーが直面する課題を増大させます。

ソリューション

検出器の性能の進歩を活用するには、高品質のレンズが不可欠です。劣ったレンズは、最高の検出器を使用しても、劣った画像を生成します。高性能の小さなピクセル検出器に合わせるには、F＃を低くし、許容誤差を厳しくして、収差を最小限に抑えたレンズを形成する必要があります。これらの要件に答えるには、遠距離からの画像をキャプチャするために、レンズの焦点距離も長くする必要があります。最新のソリューションは、次世代の赤外線熱画像システム用に最適化された、高度な屈曲光学系と軽量ズームレンズに基づいています。

UAVとドローン用のレンズの設計

最先端の技術がUAVとドローンの光学的要件を満たすために利用されています。これらには、革新的な光学的および機械的設計、エキゾチックな素材、独自のレンズ製造およびコーティング技術が含まれます。

連続ズームレンズは、高い光学性能を維持しながら、低SWaPの課題に対処します。これらのレンズは、複数の1-FOVレンズを使用するよりも小型で軽量です。さらに、連続ズームレンズは、UAV操作中に倍率を変更できるようにすることで、ミッションの柔軟性を高めます。

たとえば、Ophirは、防衛および商業顧客と協力して、UAVペイロード、ドローン、およびハンドヘルドデバイスで使用するために特別に設計された一連の軽量で高性能な熱画像ズームレンズを開発しました。高度なズームレンズは、洗練されたオプトメカニカル設計を使用して、レンズが最小、最軽量、および最もコンパクトでありながら、高レベルのIR熱画像性能を実現します。

図1（a）は、LightIR 20-275mm f/5.5軽量ズームレンズとそのオプトメカニカルレイアウトを示しています。革新的なオプトメカニカル設計により、重量はわずか264グラムになりました。 SWaPの厳しい制限にもかかわらず、図1（b）に示すように、高度な軽量設計により、フィールド全体で高レベルのMTF値が得られました。さらに、高度な材料の選択により、独自の非熱化特性が可能になり、-35°C〜+65°Cの広い動作温度で最高の性能を維持しました。

このレンズの特性により、レンズのサイズと重量に比べて動作範囲が長くなります。たとえば、2.3mの車両の検出範囲は、23mK NETD、15μmピクセル検出器（FLIR92モデルの計算に基づく）と統合した場合、約15kmになります。私たちの知る限り、これは現在入手可能な最小かつ最軽量の連続ズームレンズであり、過酷な環境条件や制約のあるプラットフォームで高度なIR熱画像システムの高性能機能を実現します。

低SWaPの課題に対処するための別のアプローチには、コンパクトなジンバルペイロード用に特別に設計された屈曲光学系の構成が含まれます。例としては、MWIR10μmピクセル検出器用に最適化されたOphirの折りたたみ式光学式16-180mm f/3.6ズームレンズがあります。

図2（a）は、16-180mm f/3.6ズームレンズのオプトメカニカルレイアウトと写真を示しています。この設計は、標準のリレーと対物レンズの構成に基づいており、焦点距離の変更を可能にする2つの可動グループがあります。材料は、ベストプラクティス、および非熱化と脱色の概念を使用して選択されました。

屈曲光学設計により、光学素子の数を減らしながら、コンパクトな構成で公差に対する感度を下げるために長い光学長を可能にすると同時に、そのような概念のさまざまな課題に対処します。これらには、見通し内（LOS）の安定化、および非球面で回折性の表面を並外れたレベルの精度と品質で生成する能力に基づく光学要素の数の削減が含まれます。

図2（b）は、WFOVおよびNFOVの16-180mm折り畳み設計の空間周波数の関数としてのMTFの結果を示しており、回折限界に近い性能を得る設計の機能を示しています。ご覧のとおり、この設計の高いMTFパフォーマンスは、フィールド全体で維持されており、コーナーでも、パフォーマンスは妥当以上のものです。

ダイヤモンド旋削技術は、非球面で回折性の表面を製造するためによく使用され、並外れたレベルの精度と品質を備えています。非球面レンズの表面は、特に赤外線光学系に関しては望ましいものであり、球面レンズの表面よりも光学性能が大幅に向上しています。非球面回折レンズ表面は、色収差や球面収差の補正など、複数の機能の統合を可能にします。したがって、ダイヤモンド旋削で製造されたレンズは、複数の要素を組み合わせて、全体のサイズと重量を減らすことができます。

耐久性のある反射防止レンズコーティングを使用すると、レンズのサイズや重量に影響を与えることなく、光学性能も向上します。レンズコーティングは、反射損失を減らすことで透過率を最大化します。高度なコーティング技術を使用して、オーダーメイドのコーティングを製造できます。これらのコーティングは、UAV業界のニーズを満たすように設計できます。この業界では、ドローンがさまざまな環境に配備され、それぞれが独自の光学的課題を提示する可能性があります。

SWaPレンズ

UAV、ペイロード、ドローン、およびハンドヘルドデバイスアプリケーションのオプティクスに関しては、オプティクスに次の機能を組み込む必要があります。

• ミニチュアジンバルにフィットするスモールフォームファクターレンズ;

• 超軽量ズーム＆固定焦点レンズ;

• 高い光学性能;

• 低消費電力;

• 高耐久性（HD）または低反射ハードカーボン（LRHC）ARコーティング;

• 迅速なFOV変更;

• 連続ズーム、固定F＃が全ズーム範囲で維持されます;

• 正確なスルーズームボアサイト;

• 主要なMWIRおよびLWIR検出器と互換性があります;

• 回折限界の光学設計。

結論

高度な光学ソリューションは、UAVのペイロードに大きな負担をかけることなく、高い画像品質を保証するための空中ミッションパフォーマンスの鍵です。究極の検出器、画像処理ソフトウェア、モニターを備えたUAVとドローンには、高性能レンズも備えている必要があります。そうしないと、画質が低下するリスクがあります。

UAVとドローンの光学系は、「SWaP」（サイズ、重量、消費電力）と呼ばれる厳格な制約を満たす必要があります。これらの制約を満たすことは、過酷な環境条件下で動作するためにコンパクト、軽量、および高性能のレンズを提供しなければならない光学レンズメーカーに課題を提示します。

これらの制約は、最先端の製造技術と独自のオプトメカニカル設計を使用して満たされます。一例として、Ophirは、10μmピクセルサイズに適した独自の屈曲光学設計に基づいて、SWaPを削減した高度なIRズームレンズと、比較的長い焦点距離を持つ軽量のオプトメカニカルコンセプトの設計と実装に成功しました。どちらのレンズも、回折限界に近いMTF性能と、過酷な環境条件や制約のあるプラットフォームでの長距離、高解像度のビジョンと識別の機能を示しています。

このような高度なIR光学アセンブリは、困難なUAV業界の要件を満たし、次世代のUAVおよびドローンの熱画像アプリケーションに新しい機会をもたらします。

この記事は、MKS Instruments Inc.（イスラエル、エルサレム）のOphirOptronicsSolutionsのゼネラルマネージャーであるKobiLasri博士によって書かれました。詳細については、Lasri博士にお問い合わせください。このメールアドレスはスパムボットから保護されています。表示するにはJavaScriptを有効にする必要があります。または、にアクセスしてください。 ここ 。

参考資料

1. ティールグループ（2017）。
2. Gettinger、D.（2017）。公安ドローン。ドローン研究センターから取得。