为无人机设计先进的红外光学组件

近年来，无人机行业发生了显着的发展和发展。除了这种增长，我们还看到无人机和无人机的发展，它们配备了越来越先进的红外成像系统，包括尺寸更大、像素尺寸更小的探测器，这对无人机光学提出了挑战。

必须提高镜头质量，以根据探测器功能最大限度地提高成像性能，从而实现高分辨率视觉。应始终考虑三个关键因素，以确保光学组件适用于无人机和无人机；这些被称为 SWaP - 尺寸、重量和功耗。换言之，光学器件必须紧凑、轻便且功耗更低，以实现最长的飞行时间。

光学制造商面临的挑战是设计和生产在整个变焦范围内具有清晰、清晰图像的光学器件，以及接近衍射极限的 MTF（调制传递函数），同时满足严格的 SWaP 要求。光学器件还必须能够承受与各种无人机和无人机应用相关的恶劣环境条件，例如国防工业。

背景

无人驾驶飞行器 (UAV) 行业正在迅速增长，Teal Group 分析师估计，未来十年全球无人机产量将达到 1350 亿美元。当配备高性能 EO/IR 相机有效载荷时，无人机和无人机可用于广泛的成像应用。

无人机市场包括国防、政府和商业应用。在国防和政府领域，无人机用于军事和警察监视、边境控制、安全以及搜索和救援行动。从 2009 年到 2017 年初，美国至少有 347 个执法和应急响应机构购买了无人机。

在商用无人机市场，需求一直在增长。具有热成像功能的商用无人机在检查电力线、输油管道、森林火灾探测和其他基础设施方面发挥着重要作用。即使在能见度较差的情况下，此类功能也可用于通过定位和评估火灾来协助消防行动。

随着无人机技术应用于越来越多的复杂任务，我们看到越来越需要最大限度地提高成像性能。上述检测器分辨率和尺寸的增加以及像素尺寸的减小提出了特定的光学需求。用于商业用途的小型无人机的生产也增加了光学制造商面临的挑战。

解决方案

高质量镜头对于利用检测器性能的进步至关重要。即使使用最好的探测器，劣质镜头也会产生劣质图像。为了匹配高性能、小像素探测器，需要更低的 F#s 和更严格的公差，从而形成具有最小像差的镜头。为了满足这些要求，镜头还必须具有长焦距，以便从远距离捕捉图像。最新的解决方案基于先进的折叠光学元件和轻型变焦镜头，针对下一代红外热成像系统进行了优化。

为无人机和无人机设计镜头

正在利用最先进的技术来满足无人机和无人机的光学要求。其中包括创新的光学和机械设计、奇异的材料以及独特的镜片制造和镀膜技术。

连续变焦镜头解决了低 SWaP 挑战，同时保持了高光学性能。这些镜头比使用多个 1-FOV 镜头更小更轻。此外，连续变焦镜头允许在无人机操作期间改变放大倍率，从而实现更好的任务灵活性。

例如，Ophir 与国防和商业客户合作，开发了一系列轻巧、高性能的热成像变焦镜头，专为无人机有效载荷、无人机和手持设备而设计。先进的变焦镜头采用精密的光学机械设计，确保镜头体积最小、重量最轻、结构最紧凑，同时仍能实现高水平的红外热成像性能。

图 1(a) 显示了 LightIR 20-275mm f/5.5 轻型变焦镜头及其光机布局。创新的光机设计使重量仅为 264 克。尽管具有挑战性的 SWaP 限制，但先进的轻量化设计在整个领域产生了高水平的 MTF 值，如图 1(b) 所示。此外，先进材料的选择实现了独特的非热化特性，在 -35°C 至 +65°C 的宽工作温度范围内保持最高性能。

该镜头的特性导致相对于镜头尺寸和重量的较长操作范围。例如，当与 23mK NETD、15μm 像素检测器（基于 FLIR92 模型计算）集成时，2.3m 车辆的检测范围约为 15 km。据我们所知，这是目前市面上最小、最轻的连续变焦镜头，可在恶劣环境条件和受限平台上实现先进红外热成像系统的高性能。

另一种解决低 SWaP 挑战的方法包括专为紧凑型云台有效载荷设计的折叠式光学配置。一个例子是 Ophir 的折叠式 16-180mm f/3.6 变焦镜头，针对 MWIR 10μm 像素探测器进行了优化。

图 2(a) 展示了 16-180mm f/3.6 变焦镜头的光机布局和图片。该设计基于标准继电器和物镜配置，具有两个允许改变焦距的移动组。这些材料是根据最佳实践以及无热化和消色差概念选择的。

折叠式光学设计可实现较长的光学长度，以降低对公差的敏感性，在紧凑的配置中，减少光学元件的数量，同时解决这种概念的各种挑战。这些措施包括视线 (LOS) 稳定和减少光学元件的数量，这基于我们生产具有卓越精度和质量水平的非球面和衍射表面的能力。

图 2(b) 显示了 WFOV 和 NFOV 的 16-180mm 折叠设计的 MTF 结果作为空间频率的函数，说明了该设计获得接近衍射极限性能的能力。可以看出，这种设计的高MTF性能在整个场地都保持不变，即使在弯道，性能也非常合理。

金刚石车削技术通常用于生产非球面和衍射表面，具有卓越的精度和质量。非球面透镜表面是可取的，特别是在红外光学方面，与球面对应物相比，其光学性能显着提高。非球面衍射透镜表面允许集成多种功能，例如色差和球面像差校正。因此，通过金刚石车削生产的镜片可以结合多种元素，从而减小整体尺寸和重量。

使用耐用的抗反射镜片涂层还可以提高光学性能，而不会对镜片的尺寸或重量产生任何影响。镜片镀膜通过减少反射损失来最大化透射率。先进的涂层技术可用于生产定制涂层。这些涂层的设计可以满足无人机行业的需求，无人机可以部署在各种环境中，每种环境都面临着自己的光学挑战。

交换镜头

对于无人机、有效载荷、无人机和手持设备应用的光学器件，您的光学器件应具备以下功能：

• 适合微型云台的小尺寸镜头；

• 超轻量变焦和定焦镜头；

• 光学性能高；

• 低功耗；

• 高耐久性（HD）或低反射硬碳（LRHC）增透膜；

• 快速 FOV 变化；

• 连续变焦，在整个变焦范围内保持固定的 F#；

• 精确的放大瞄准镜；

• 兼容主流中波红外和长波红外探测器；

• 衍射极限光学设计。

结论

先进的光学解决方案是机载任务性能的关键，可确保高成像质量，而不会对无人机有效载荷造成重大损失。配备终极探测器、图像处理软件和监视器的无人机和无人机也必须配备高性能镜头，否则可能会导致图像质量不佳。

无人机和无人机的光学器件必须满足称为“SWaP”（尺寸、重量和功耗）的严格限制。满足这些限制条件给光学镜头制造商带来了挑战，他们必须提供紧凑、轻便和高性能的镜头才能在恶劣的环境条件下工作。

使用尖端的制造技术和独特的光机设计可以满足这些限制。例如，Ophir 基于适用于 10μm 像素尺寸的独特折叠光学设计以及具有相对较长焦距的轻质光机概念，成功设计并实现了具有降低 SWaP 的先进红外变焦镜头。这两款镜头都展示了接近衍射极限的 MTF 性能，以及在恶劣环境条件和受限平台上实现远距离、高分辨率视觉和识别的能力。

这种先进的红外光学组件满足了无人机行业具有挑战性的要求，并为下一代无人机和无人机热成像应用开辟了新机遇。

本文由 MKS Instruments Inc.（以色列耶路撒冷）Ophir Optronics Solutions 总经理 Kobi Lasri 博士撰写。欲了解更多信息，请联系 Dr. Lasri，该电子邮件地址已收到反垃圾邮件插件保护。您需要启用 JavaScript 才能查看它。或访问 这里 .

参考文献

1. 蒂尔集团 (2017)。
2. Gettinger, D.（2017 年）。公共安全无人机。取自无人机研究中心。