UAV向け最先端IR光学系の開発：SWaP制約下での高性能化

UAV業界は近年大きく進化・成長しました。この成長とともに、検出器が大型化し画素サイズが微小化する、ますます高度な赤外線撮像システムを搭載したUAVとドローンの開発が進み、UAV光学系に課題を提示しています。

SWaP：3つの重要因子

レンズ品質は、検出器能力に合わせて撮像性能を最大化し、高解像度視覚を可能にするために向上させる必要があります。UAVとドローン向けに光学アセンブリが適切であることを保証するため、常に考慮すべき3つの重要因子があります。これらはSWaP（Size、Weight、Power consumption：サイズ、重量、消費電力）として知られます。つまり、光学系はコンパクト、軽量、低消費電力でなければならず、最大飛行時間を実現するためです。

光学メーカーへの挑戦

全ズーム範囲で鮮明・クリアな画像を提供し、MTF（変調伝達関数）を回折限界に近づけながら、厳格なSWaP要件を満たす光学系の設計・製造が光学メーカーの課題です。また、防衛産業など様々なUAV・ドローン用途に伴う過酷な環境条件にも耐えられる必要があります。

背景

無人航空機（UAV）業界は急成長しており、Teal Groupのアナリストは今後10年間の世界UAV生産額が1,350億ドルに達すると推定。高性能EO/IRカメラペイロードを搭載したUAVとドローンは、幅広い撮像用途に適しています。

ドローン市場は防衛、政府、商業用途で構成。防衛・政府分野では、軍事・警察監視、国境管理、セキュリティ、捜索救助作戦にドローンが使用。2009年から2017年初頭までに、米国で少なくとも347の法執行・緊急対応機関がドローンを取得。

商業ドローン市場では需要が拡大中。熱撮像機能を持つ商業ドローンは、送電線、石油パイプライン、森林火災検知、その他インフラの検査で重要な役割を果たしています。視界不良時でも火災の場所特定と評価を支援し、消火活動を補助します。

UAV技術がより多様な高度なタスクに適用されるにつれ、撮像性能最大化の必要性が高まっています。前述の検出器解像度・サイズ増大と画素サイズ縮小が、特定の光学ニーズを提示。商業用小型ドローンの生産も光学メーカーの課題を増大させています。

ソリューション

高品質レンズは、検出器性能向上を活用するために不可欠。劣ったレンズは、最高の検出器でも劣った画像を生成します。高性能・微小画素検出器に合わせるには、より低いF値とより厳しい公差が必要で、収差を最小限に抑えたレンズを形成。これらの要件を満たすため、レンズは長焦点距離を持ち、遠距離からの撮像を可能にする必要があります。最新ソリューションは、次世代赤外線熱撮像システム向けに最適化された先進的折り返し光学系と軽量ズームレンズに基づいています。

UAV・ドローン向けレンズ設計

UAV・ドローン光学要件を満たすため、最先端技術が活用されています。革新的な光学・機械設計、特殊材料、独自のレンズ製造・コーティング技術が含まれます。

連続ズームレンズは、高光学性能を維持しながら低SWaP課題に対応。複数の単一FOVレンズを使用するより小型・軽量。さらに、連続ズームレンズはUAV運用中に倍率変更を可能にし、ミッション柔軟性を向上させます。

防衛・商業顧客との協業で、Ophirは例えばUAVペイロード、ドローン、携帯型デバイスでの使用向けに特化した軽量・高性能熱撮像ズームレンズ群を開発。先進ズームレンズは高度な光学機械設計を用い、最小・最軽量・最コンパクトながら、IR熱撮像性能の高水準を実現しています。

図1(a)はLightIR 20-275mm f/5.5軽量ズームレンズとその光学機械レイアウトを示します。革新的な光学機械設計により、重量わずか264グラムを実現。厳しいSWaP制約にもかかわらず、先進的軽量設計により視野全域で高いMTF値を達成（図1(b)）。さらに、先進材料の選定により独自のアサーマライゼーション特性を実現し、-35℃〜+65℃の広い動作温度範囲で最高性能を維持。

このレンズの特性により、レンズサイズ・重量に対する長距離作戦範囲が実現。例えば、2.3m車両の検出範囲は、23mK NETD、15μm画素検出器と統合時（FLIR92モデル計算ベース）で約15km。現時点で入手可能な最小・最軽量連続ズームレンズであり、過酷環境と制約プラットフォーム上で先進IR熱撮像システムの高性能能力を可能にします。

低SWaP課題への別アプローチには、コンパクトジンバルペイロード向けに特別に設計された折り返し光学構成があります。例として、Ophirの折り返し光学16-180mm f/3.6ズームレンズ（MWIR 10μm画素検出器向けに最適化）があります。

図2(a)は16-180mm f/3.6ズームレンズの光学機械レイアウトと写真を示します。設計は標準リレーと対物レンズ構成に基づき、焦点距離変更を可能にする2つの可動グループを備えます。材料はベストプラクティス、アサーマライゼーションとアクロマタイゼーション概念に基づき選定。

折り返し光学設計により、公差に対する感度を低減する長光学長を、光学素子数削減によるコンパクト構成で実現。ライン・オブ・サイト（LOS）スタビライゼーション、光学素子数削減など、こうした概念の様々な課題に対処。非球面と回折面を例外的な精度と品質で製造する能力に基づいています。

図2(b)は、16-180mm折り返し設計のWFOVとNFOVにおける空間周波数関数としてのMTF結果を示し、回折限界近傍性能を達成する設計能力を図解。高MTF性能が視野全域で維持され、コーナーでも性能は十分以上です。

ダイヤモンドターニング技術は、非球面と回折面の製造によく使用され、例外的な精度と品質を実現。非球面レンズ面は、特に赤外線光学系において、球面対応品に比べ光学性能が大幅に向上。非球面・回折レンズ面は、色収差と球面収差補正など複数機能の統合を可能にし、ダイヤモンドターニング製レンズは複数要素を結合し、全体的なサイズと重量を削減できます。

耐久性のある反射防止レンズコーティングの使用も、レンズのサイズや重量に影響を与えずに光学性能を向上。レンズコーティングは反射損失を低減し透過率を最大化。先進コーティング技術でオーダーメイドコーティングを製造可能。これらは、ドローンが様々な環境に展開されるUAV業界のニーズに合わせて設計可能。各環境は独自の光学的課題を提示します。

SWaPレンズに求められる能力

UAV、ペイロード、ドローン、携帯デバイス用途の光学系には、以下の能力が求められます：

ミニチュアジンバルに収まる小型フォームファクタレンズ
超軽量ズーム・固定焦点レンズ
高光学性能
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
高速FOV変更
全ズーム範囲で固定F値を維持する連続ズーム
正確なスルーズームボアサイト
主要MWIR・LWIR検出器との互換性
回折限界光学設計

結論
先進光学ソリューションは、UAVペイロードに重い負担をかけずに高画質撮像を保証する空中ミッション性能の鍵です。究極の検出器、画像処理ソフトウェア、モニターを搭載したUAVとドローンも、高性能レンズを装備しなければ画質低下のリスクがあります。

UAV・ドローン用光学系は、「SWaP」（サイズ、重量、消費電力）として知ら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コンパクト・軽量・高性能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、最先端製造技術と独自の光学機械設計によって満たされます。例として、Ophirは独自の折り返し光学設計に基づく低SWaP先進IRズームレンズ（10μm画素サイズ対応）と、比較的長焦点距離の軽量光学機械概念を成功裏に設計・実装。両レンズともMTF性能が回折限界近傍で、過酷環境と制約プラットフォーム上での長距離・高解像度視認・識別能力を実証。

このような先進IR光学アセンブリは、UAV業界の厳しい要件を満たし、次世代UAV・ドローン熱撮像アプリケーションの新たな機会を開きます。

この記事は、Ophir Optronics Solutions、MKS Instruments Inc.（エルサレム、イスラエル）のゼネラルマネージャー、コビ・ラスリ博士によって執筆されました。詳細情報は、ラスリ博士（メールアドレスはスパムボット対策で保護されています。表示にはJavaScriptが必要です）までお問い合わせいただくか、こちらをご覧ください。

参考文献

Teal Group (2017).

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

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