UAV용 고급 IR 광학 어셈블리 설계

UAV 산업은 최근 몇 년 동안 크게 발전하고 성장했습니다. 이러한 성장과 함께 우리는 크기가 더 크고 픽셀 크기가 더 작은 감지기를 포함하는 점점 더 발전된 적외선 이미징 시스템을 갖춘 UAV 및 드론의 개발을 보아왔습니다.

고해상도 비전을 허용하는 검출기 기능에 따라 이미징 성능을 최대화하려면 렌즈 품질을 높여야 합니다. 광학 어셈블리가 UAV 및 드론에 적합한지 확인하려면 세 가지 중요한 요소를 항상 고려해야 합니다. 이를 SWaP(크기, 무게 및 전력 소비)라고 합니다. 즉, 최대 비행 시간을 가능하게 하려면 광학 장치가 작고 가벼우며 전력 소비가 감소해야 합니다.

광학 제조업체는 엄격한 SWaP 요구 사항을 충족하면서 전체 줌 범위에 걸쳐 선명하고 깨끗한 이미지와 회절 한계에 가까운 MTF(변조 전달 기능)를 가진 광학 장치를 설계 및 생산해야 하는 과제를 안고 있습니다. 또한 광학 장치는 방위 산업과 같은 다양한 UAV 및 드론 애플리케이션과 관련된 열악한 환경 조건을 견딜 수 있어야 합니다.

배경

무인 항공기(UAV) 산업은 빠르게 성장하고 있으며 Teal Group 분석가들은 향후 10년 동안 전 세계 UAV 생산량이 총 1,350억 달러에 이를 것으로 추정합니다. 고성능 EO/IR 카메라 페이로드가 장착되면 UAV와 드론은 다양한 이미징 애플리케이션에 적합합니다.

드론 시장은 국방, 정부 및 상업용 애플리케이션으로 구성됩니다. 국방 및 정부 분야에서 드론은 군 및 경찰 감시, 국경 통제, 보안, 수색 및 구조 작업에 사용됩니다. 2009년과 2017년 초 사이에 미국에서 최소 347개의 법 집행 기관 및 비상 대응 기관이 드론을 인수했습니다.

상업용 드론 시장에서 수요가 증가하고 있습니다. 열화상 기능을 갖춘 상업용 드론은 전력선, 송유관, 산불 감지 및 기타 기반 시설을 검사하는 데 중요한 역할을 하고 있습니다. 이러한 기능은 가시성이 좋지 않은 경우에도 화재를 찾고 평가하여 소방 작업을 지원하는 데에도 사용됩니다.

UAV 기술이 점점 더 다양한 정교한 작업에 적용됨에 따라 이미징 성능을 극대화해야 할 필요성이 커지고 있습니다. 앞서 언급한 검출기 해상도 및 크기의 증가와 그에 수반되는 픽셀 크기의 감소로 인해 특정한 광학적 요구가 나타납니다. 상업용 소형 드론의 생산은 광학 제조업체가 직면한 문제도 증가시킵니다.

해결책

검출기 성능의 발전을 활용하려면 고품질 렌즈가 필수적입니다. 열등한 렌즈는 최고의 검출기라도 열등한 이미지를 생성합니다. 고성능의 소형 픽셀 검출기와 일치시키기 위해서는 더 낮은 F#과 더 엄격한 허용 오차가 필요하여 최소한의 수차로 렌즈를 형성해야 합니다. 이러한 요구 사항을 충족하려면 렌즈의 초점 거리도 길어야 하며 먼 거리에서 이미지를 캡처해야 합니다. 최신 솔루션은 차세대 적외선 열화상 시스템에 최적화된 고급 접이식 광학 및 경량 줌 렌즈를 기반으로 합니다.

UAV 및 드론용 렌즈 설계

UAV 및 드론 광학 요구 사항을 충족하기 위해 최첨단 기술이 활용되고 있습니다. 여기에는 혁신적인 광학 및 기계 설계, 이국적인 소재, 독특한 렌즈 제조 및 코팅 기술이 포함됩니다.

연속 줌 렌즈는 높은 광학 성능을 유지하면서 낮은 SWaP 문제를 해결합니다. 이 렌즈는 여러 개의 1-FOV 렌즈를 사용하는 것보다 작고 가볍습니다. 또한, 연속 줌 렌즈는 UAV 운용 중 배율 변경을 허용하여 더 나은 임무 유연성을 가능하게 합니다.

예를 들어, Ophir는 국방 및 상업 고객과 협력하여 UAV 페이로드, 드론 및 핸드헬드 장치에 사용하도록 특별히 설계된 다양한 경량 고성능 열화상 줌 렌즈를 개발했습니다. 고급 줌 렌즈는 정교한 광기계적 디자인을 사용하여 렌즈가 가장 작고 가벼우며 가장 컴팩트한 동시에 높은 수준의 IR 열화상 성능을 달성합니다.

그림 1(a)는 LightIR 20-275mm f/5.5 경량 줌 렌즈와 광학 기계 레이아웃을 보여줍니다. 혁신적인 광-기계적 디자인으로 무게는 264g에 불과했습니다. 까다로운 SWaP 제한에도 불구하고 고급 경량 설계는 그림 1(b)와 같이 전체 필드에서 높은 수준의 MTF 값을 생성했습니다. 또한 고급 소재를 선택하여 독특한 무열화 특성을 구현하여 -35°C ~ +65°C 범위의 넓은 작동 온도에서 최고의 성능을 유지했습니다.

이 렌즈의 특성으로 인해 렌즈 크기와 무게에 비해 작동 범위가 길어집니다. 예를 들어, 2.3m 차량의 감지 범위는 23mK NETD, 15μm 픽셀 감지기와 통합될 때 약 15km가 됩니다(FLIR92 모델 계산 기반). 우리가 아는 한, 이것은 오늘날 사용 가능한 가장 작고 가벼운 연속 줌 렌즈로, 열악한 환경 조건과 제한된 플랫폼에서 고급 IR 열화상 시스템의 고성능 기능을 가능하게 합니다.

낮은 SWaP 문제를 해결하기 위한 또 다른 접근 방식에는 컴팩트 짐벌 페이로드용으로 특별히 설계된 접힌 광학 구성이 포함됩니다. 예는 MWIR 10μm 픽셀 감지기에 최적화된 Ophir의 접힌 광학 16-180mm f/3.6 줌 렌즈입니다.

그림 2(a)는 16-180mm f/3.6 줌 렌즈의 광기계적 레이아웃과 사진을 보여줍니다. 디자인은 초점 거리의 변경을 허용하는 두 개의 이동 그룹이 있는 표준 릴레이 및 대물 구성을 기반으로 합니다. 재료는 모범 사례와 무열화 및 무색화 개념을 사용하여 선택되었습니다.

접힌 광학 설계는 광학 요소의 수를 줄인 동시에 소형 구성에서 공차에 대한 감도를 줄이기 위해 긴 광학 길이를 가능하게 하는 동시에 이러한 개념의 다양한 문제를 해결합니다. 여기에는 뛰어난 수준의 정확도와 품질로 비구면 및 회절 표면을 생성하는 당사의 능력을 기반으로 하는 가시선(LOS) 안정화 및 광학 요소 수 감소가 포함됩니다.

그림 2(b)는 WFOV 및 NFOV에 대한 16-180mm 접힌 디자인의 공간 주파수 함수로 MTF 결과를 보여주며, 회절 한계 성능을 얻기 위한 디자인의 기능을 보여줍니다. 보시다시피 이 디자인의 높은 MTF 성능은 필드 전체에서 유지되며 코너에서도 성능이 합리적입니다.

다이아몬드 선삭 기술은 종종 뛰어난 정확도와 품질로 비구면 및 회절 표면을 생산하는 데 사용됩니다. 특히 적외선 광학의 경우 비구면 렌즈 표면이 바람직하며, 이는 구면 렌즈에 비해 광학 성능이 크게 향상됩니다. Aspheric-Diffractive 렌즈 표면은 색수차 및 구면 수차 보정과 같은 여러 기능의 통합을 허용합니다. 따라서 다이아몬드 선삭으로 생산된 렌즈는 여러 요소를 결합하여 전체 크기와 무게를 줄일 수 있습니다.

내구성이 뛰어난 반사 방지 렌즈 코팅을 사용하면 렌즈의 크기나 무게에 영향을 주지 않으면서 광학 성능도 향상됩니다. 렌즈 코팅은 반사 손실을 줄여 투과율을 극대화합니다. 고급 코팅 기술을 사용하여 맞춤형 코팅을 생산할 수 있습니다. 이러한 코팅은 드론이 다양한 환경에 배치될 수 있는 UAV 산업의 요구 사항을 충족하도록 설계할 수 있으며, 각 환경은 고유한 광학 문제를 제시합니다.

렌즈 교체

UAV, 페이로드, 드론 및 핸드헬드 장치 애플리케이션을 위한 광학 장치의 경우 광학 장치에는 다음 기능이 통합되어야 합니다.

• 소형 짐벌에 맞는 소형 폼 팩터 렌즈,

• 초경량 줌 및 고정 초점 렌즈;

• 높은 광학 성능,

• 낮은 전력 소비;

• 고내구성(HD) 또는 저반사 하드 카본(LRHC) AR 코팅,

• 빠른 FOV 변경,

• 전체 줌 범위에서 고정 F#이 유지되는 연속 줌,

• 정확한 스루 줌 조준경;

• 주요 MWIR 및 LWIR 감지기와 호환 가능,

• 회절 제한 광학 설계.

결론

고급 광학 솔루션은 UAV 탑재량에 큰 부담을 주지 않고 높은 영상 품질을 보장하기 위한 공중 임무 수행의 핵심입니다. 궁극의 탐지기, 이미지 처리 소프트웨어 및 모니터가 장착된 UAV 및 드론에도 고성능 렌즈가 장착되어야 하며 그렇지 않으면 이미지 품질이 저하될 위험이 있습니다.

UAV 및 드론용 광학 장치는 'SWaP'(크기, 무게 및 전력 소비)로 알려진 엄격한 제약 조건을 충족해야 합니다. 이러한 제약 조건을 충족하는 것은 열악한 환경 조건에서 작동하기 위해 소형, 경량, 고성능 렌즈를 제공해야 하는 광학 렌즈 제조업체에게 어려운 과제입니다.

이러한 제약은 최첨단 제조 기술과 고유한 광기계 설계를 사용하여 충족됩니다. 예를 들어, Ophir는 10μm 픽셀 크기에 적합한 독특한 접힌 광학 설계를 기반으로 SWaP가 감소된 고급 IR 줌 렌즈와 상대적으로 긴 초점 거리를 가진 가벼운 광학 기계 개념을 성공적으로 설계하고 구현했습니다. 두 렌즈 모두 회절 한계에 가까운 MTF 성능과 열악한 환경 조건 및 제한된 플랫폼에서 장거리, 고해상도 비전 및 식별 기능을 보여줍니다.

이러한 고급 IR 광학 어셈블리는 까다로운 UAV 산업 요구 사항을 충족하고 차세대 UAV 및 드론 열화상 응용 분야에서 새로운 기회를 열어줍니다.

이 기사는 MKS Instruments Inc.(예루살렘, 이스라엘) Ophir Optronics Solutions의 총책임자인 Dr. Kobi Lasri가 작성했습니다. 자세한 내용은 이 이메일 주소는 스팸봇으로부터 보호되고 있습니다.에서 Dr. Lasri에게 문의하십시오. 보려면 JavaScript를 활성화해야 합니다. 또는 을(를) 방문하십시오. 여기 .

참조

1. 틸 그룹(2017).
2. Gettinger, D.(2017). 공공 안전 드론. 드론 연구 센터에서 가져옴.