为无人机打造前沿红外光学系统

无人机行业近年显著发展。随之而来的是配备越来越先进红外成像系统的无人机和无人机开发，探测器尺寸增大、像素尺寸缩小，给无人机光学带来挑战。

核心要求：SWaP

透镜质量必须提升以最大化成像性能，匹配探测器能力，实现高分辨率视觉。确保光学组件适合无人机的三个关键因素称为SWaP——尺寸、重量、功耗。即光学必须紧凑、轻量、低功耗，以实现最长飞行时间。

挑战落在光学制造商身上：设计生产全变焦范围内清晰干净图像、调制传递函数（MTF）接近衍射极限的光学，同时满足严格SWaP要求。光学还须承受国防等各类无人机应用相关的恶劣环境条件。

无人机行业快速增长，Teal Group分析师估计未来十年全球无人机产值达1350亿美元。配备高性能电光/红外相机载荷，无人机适用广泛成像应用。

无人机市场含国防、政府、商业应用。国防政府领域用于军警监视、边境管控、安保、搜救。2009至2017年初，美国至少347个执法和应急响应机构采购无人机。

商业无人机市场需求增长。具热成像能力的商用无人机在巡检电力线、油管、森林火灾探测等基础设施中发挥重要作用。此类能力也助力消防行动，在能见度差时定位评估火情。

随着无人机技术应用于越来越复杂的任务，最大化成像性能需求增长。探测器分辨率和尺寸增加、像素尺寸减小带来特定光学需求。更小商用无人机生产也增加光学制造商挑战。

高质量透镜是发挥探测器性能进步的关键。劣质透镜即使配最佳探测器也产生劣质图像。为匹配高性能小像素探测器，需更低F数和更严公差，形成最小像差透镜。同时透镜需长焦距以捕获远距离图像。最新解决方案基于先进折叠光学和轻量化变焦透镜，针对新一代红外热成像系统优化。

利用最先进技术满足无人机光学需求。包括创新光学机械设计、特种材料、独特透镜制造和镀膜技术。

连续变焦透镜在保持高光学性能同时应对低SWaP挑战。比使用多个单视场透镜更小更轻。此外，连续变焦透镜允许无人机作业中改变放大倍率，提供更好任务灵活性。

Ophir等与国防商业客户合作，开发一系列轻量高性能热成像变焦透镜，专为无人机载荷、无人机、手持设备设计。先进变焦透镜用精密光机械设计，确保在达到高水平红外热成像性能的同时，做到最小、最轻、最紧凑。

图1(a)展示LightIR 20-275mm f/5.5轻量变焦透镜及其光机械布局。创新光机械设计仅重264克。尽管SWaP限制严苛，先进轻量化设计仍实现全视场高MTF值，如图1(b)。特种材料选择赋予独特消热化特性，在-35°C至+65°C宽工作温度范围保持最高性能。

此透镜特性带来相对尺寸重量的长作用距离。例如，配合23mK NETD、15μm像素探测器（基于FLIR92模型计算），2.3米车辆探测距离约15公里。据知，这是目前最小最轻连续变焦透镜，使先进红外热成像系统在恶劣环境和受限平台上实现高性能能力。

应对低SWaP挑战的另一方法包括专为紧凑吊舱载荷设计的折叠光学配置。例：Ophir折叠光学16-180mm f/3.6变焦透镜，针对MWIR 10μm像素探测器优化。

图2(a)展示16-180mm f/3.6变焦透镜光机械布局和图片。设计基于标准中继和物镜配置，两个移动组允许焦距变化。材料选择遵循最佳实践及消热化、消色差概念。

折叠光学设计在紧凑配置中实现长光学长度以减少公差敏感性，减少光学元件数量，同时应对此类概念挑战。这些包括视线（LOS）稳定，基于生产非球面和衍射面卓越精度质量能力的减少光学元件数量。

图2(b)显示WFOV和NFOV下16-180mm折叠设计MTF随空间频率变化结果，说明设计获得接近衍射极限性能能力。高MTF性能全视场保持，甚至边缘性能也相当合理。

金刚石车削技术常用于生产非球面和衍射面，精度质量卓越。非球面透镜表面在红外光学中尤为理想，显著优于球面对应件。非球面-衍射透镜表面允许集成多功能，如色差和球差校正。金刚石车削透镜因此可结合多元件，减小整体尺寸重量。

耐用抗反射透镜镀膜也能提升光学性能，不影响透镜尺寸重量。镀膜通过减少反射损耗最大化透射率。先进镀膜技术可生产定制镀膜，可设计满足无人机行业需求，无人机可部署于各种环境，各有其光学挑战。

无人机、载荷、无人机、手持设备应用光学应包含以下能力：

先进光学解决方案是空中任务性能关键，保证高成像质量而不给无人机载荷带来沉重负担。配备终极探测器、图像处理软件、显示器的无人机也必须配备高性能透镜，否则冒险图像质量差。

无人机光学必须满足“SWaP”严格约束（尺寸、重量、功耗）。满足这些约束给光学透镜制造商带来挑战，必须交付紧凑、轻量、高性能透镜以在恶劣环境下运行。

利用尖端制造技术和独特光机械设计满足这些约束。例如，Ophir成功基于独特折叠光学设计设计实施适合10μm像素尺寸的先进红外变焦透镜（低SWaP），以及具有相对长焦距的轻量化光机械概念。两透镜均展示接近衍射极限的MTF性能，在恶劣环境和受限平台上具备远程高分辨率视觉识别能力。

此类先进红外光学组件满足挑战性无人机行业要求，为新一代无人机热成像应用开辟新机遇。

本文由Ophir Optronics Solutions总经理Dr. Kobi Lasri撰写（以色列耶路撒冷MKS Instruments Inc.）。更多信息联系Dr. Lasri：[邮箱]，或访问此处。

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

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