UAV 산업은 최근 몇 년간 크게 진화하고 성장했습니다. 이와 함께 탐지기 크기는 커지고 픽셀 크기는 작아지는 점점 더 진보된 적외선 이미징 시스템을 탑재한 UAV와 드론 개발이 이루어졌으며, 이는 UAV 광학에 과제를 제시합니다.
렌즈 품질은 탐지기 능력에 맞춰 이미징 성능을 극대화해 고해상도 비전을 가능하게 해야 합니다. UAV와 드론에 적합한 광학 어셈블리를 보장하기 위해 항상 고려해야 할 세 가지 핵심 요소가 있습니다. 바로 SWaP - 크기(Size), 무게(Weight), 전력소비(Power consumption)입니다. 즉, 광학계는 최대 비행 시간을 위해 소형, 경량, 저전력 소모여야 합니다.
광학 제조업체에겐 전체 줌 범위에서 선명하고 깨끗한 이미지, 회절 한계에 가까운 MTF(변조 전달 함수)를 달성하면서 엄격한 SWaP 요구사항을 충족하는 광학계를 설계·생산하는 과제가 주어집니다. 광학계는 국방 산업 등 다양한 UAV·드론 애플리케이션과 관련된 가혹한 환경 조건도 견뎌야 합니다.
무인항공기(UAV) 산업은 급속히 성장 중이며, Teal Group 애널리스트들은 향후 10년간 전 세계 UAV 생산액이 1,350억 달러에 달할 것으로 추정합니다. 고성능 EO/IR 카메라 페이로드 장착 시 UAV와 드론은 다양한 이미징 애플리케이션에 적합합니다.
드론 시장은 국방, 정부, 상업용 애플리케이션으로 구성됩니다. 국방·정부 분야에서 드론은 군·경찰 감시, 국경 통제, 보안, 수색구조 작전에 사용됩니다. 2009년부터 2017년 초까지 미국 내 최소 347개 법집행·응급구조 기관이 드론을 도입했습니다.
상업용 드론 시장에서도 수요가 증가 중입니다. 열화상 기능 탑재 상업용 드론이 송전선, 송유관, 산불 감시, 기타 인프라 검사에 핵심적 역할을 합니다. 이러한 기능은 가시성이 나쁠 때도 화재 위치 파악과 평가로 소방 작업을 지원합니다.
UAV 기술이 점점 더 정교한 작업에 적용됨에 따라 이미징 성능 극대화 필요성이 커지고 있습니다. 앞서 언급한 탐지기 해상도와 크기 증가, 픽셀 크기 감소는 구체적인 광학적 니즈를 제시합니다. 상업용 소형 드론 생산 증가도 광학 제조업체의 과제를 가중시킵니다.
고품질 렌즈는 탐지기 성능 발전을 활용하는 데 필수적입니다. 열등한 렌즈는 최고의 탐지기로도 열등한 이미지를 생성합니다. 고성능 소형 픽셀 탐지기와 매칭하려면 더 낮은 F#과 더 엄격한 공차가 필요해 수차 최소화 렌즈를 형성합니다. 이러한 요구사항을 충족하려면 렌즈는 긴 초점거리를 가져야 먼 거리 이미지 포착이 가능합니다. 최신 솔루션은 차세대 적외선 열화상 시스템에 최적화된 고급 폴디드 옵틱스(folded-optics)와 경량 줌 렌즈 기반입니다.
UAV·드론 광학 요구사항 충족을 위해 최첨단 기술이 활용됩니다. 혁신적 광학·기계 설계, 특수 소재, 독특한 렌즈 제조 및 코팅 기술 등이 포함됩니다.
연속 줌 렌즈는 고광학 성능을 유지하면서 저SWaP 과제를 해결합니다. 이 렌즈들은 다중 1-FOV 렌즈 사용보다 작고 가볍습니다. 또한 연속 줌 렌즈는 UAV 작전 중 배율 변경을 허용해 더 나은 임무 유연성을 제공합니다.
국방·상업 고객과 협력해 오파이어(Ophir)는 UAV 페이로드, 드론, 휴대용 기기용으로 특별히 설계된 경량 고성능 열화상 줌 렌즈군을 개발했습니다. 고급 줌 렌즈는 정교한 광기계 설계를 사용해 렌즈를 가장 작고 가볍고 콤팩트하게 만들면서도 높은 수준의 IR 열화상 성능을 달성합니다.
그림 1(a)는 LightIR 20-275mm f/5.5 경량 줌 렌즈와 광기계 레이아웃을 보여줍니다. 혁신적 광기계 설계로 무게 264g에 불과합니다. 도전적인 SWaP 제약에도 고급 경량 설계로 그림 1(b)와 같이 전체 필드에서 높은 MTF 값을 달성했습니다. 또한 특수 소재 선택으로 독특한 비온도화(athermalization) 특성을 구현해 -35°C~+65°C 넓은 동작 온도 범위에서 최고 성능을 유지합니다.
이 렌즈 특성은 렌즈 크기와 무게 대비 긴 동작 범위를 이끕니다. 예: 2.3m 차량 탐지 범위가 23mK NETD, 15μm 픽셀 탐지기(FLIR92 모델 계산 기준)와 통합 시 약 15km에 달합니다. 현재 알려진 바로는 가장 작고 가벼운 연속 줌 렌즈로, 가혹한 환경 조건과 제약된 플랫폼에서 고성능 차세대 IR 열화상 시스템 역량을 가능하게 합니다.
저SWaP 과제 해결의 또 다른 접근법은 콤팩트 짐벌 페이로드용으로 특별히 설계된 폴디드 옵틱스 구성입니다. 예: 오파이어의 폴디드 옵틱 16-180mm f/3.6 줌 렌즈, MWIR 10μm 픽셀 탐지기용으로 최적화.
그림 2(a)는 16-180mm f/3.6 줌 렌즈의 광기계 레이아웃과 사진을 보여줍니다. 설계는 표준 릴레이와 객체 구성 기반으로, 초점거리 변경을 허용하는 두 이동 그룹이 있습니다. 소재는 모범 사례와 비온도화·아크로마티제이션 개념을 사용해 선정되었습니다.
폴디드 옵틱스 설계는 콤팩트한 구성에서 공차에 대한 감도 감소를 위한 긴 광학 길이, 광학 소재 수 감소를 가능하게 하며, 이러한 개념의 다양한 과제를 해결합니다. 여기에는 시선(LOS) 안정화, 광학 소재 수 감소가 포함되며, 뛰어난 정확도와 품질의 비구면 및 회절 표면 생산 역량 기반입니다.
그림 2(b)는 WFOV와 NFOV에 대한 16-180mm 폴디드 설계의 공간 주파수 함수 MTF 결과를 보여주며, 회절 한계에 근접한 성능 달성 능력을 입증합니다. 보듯 이 설계의 높은 MTF 성능은 전체 필드에서 유지되며, 코너에서도 성능이 상당히 합리적입니다.
다이아몬드 터닝 기술은 뛰어난 정확도와 품질로 비구면과 회절 표면 생산에 자주 사용됩니다. 비구면 렌즈 표면은 특히 적외선 광학에서 구면 대비 상당한 광학 성능 향상을 보입니다. 비구면-회절 렌즈 표면은 색수차와 구면수차 보정 같은 다기능 통합을 허용합니다. 다이아몬드 터닝으로 제작된 렌즈는 따라서 여러 요소를 결합해 전체 크기와 무게를 줄일 수 있습니다.
내구성 있는 반사방지 렌즈 코팅 사용도 크기나 무게 영향 없이 광학 성능을 향상시킵니다. 렌즈 코팅은 반사 손실 감소로 투과율을 극대화합니다. 고급 코팅 기술로 맞춤형 코팅 생산 가능합니다. 이 코팅들은 드론이 각자 고유한 광학적 과제를 제시하는 다양한 환경에 배치되는 UAV 산업 니즈를 충족하도록 설계될 수 있습니다.
UAV, 페이로드, 드론, 휴대용 기기 애플리케이션용 광학계는 다음 역량을 포함해야 합니다:
고급 광학 솔루션은 UAV 페이로드에 무거운 부담 없이 보장된 고화질 이미징으로 공중 임무 성능의 열쇠입니다. UAV와 드론이 궁극의 탐지기, 이미지 처리 소프트웨어, 모니터를 장착해도 고성능 렌즈가 없으면 열악한 이미지 품질 위험이 있습니다.
UAV·드론용 광학계는 'SWaP'(크기, 무게, 전력소비)라 불리는 엄격한 제약을 충족해야 합니다. 이러한 제약 충족은 콤팩트하고 가볍고 고성능인 렌즈를 가혹한 환경에서 동작하게 해야 하는 광학 렌즈 제조업체에 과제를 제시합니다.
이러한 제약은 최첨단 제조 기술과 독특한 광기계 설계로 충족됩니다. 예: 오파이어는 10μm 픽셀 크기에 적합한 독특한 폴디드 옵틱스 설계 기반 고급 IR 줌 렌즈와 비교적 긴 초점거리의 경량 광기계 개념으로 SWaP 감소에 성공했습니다. 두 렌즈 모두 회절 한계에 근접한 MTF 성능과 가혹한 환경 조건, 제약된 플랫폼에서 장거리 고해상도 비전·식별 능력을 입증했습니다.
이러한 고급 IR 광학 어셈블리는 도전적인 UAV 산업 요구사항을 충족하며 차세대 UAV·드론 열화상 애플리케이션에 새로운 기회를 엽니다.
이 기사는 오파이어 옵트로닉스 솔루션즈 총괄 매니저 드로비 코비 라스리 박사(MKS 인스트루먼트, 예루살렘, 이스라엘)가 작성했습니다. 자세한 정보는 드로비 라스리 박사(이메일: 스팸봇 보호 중, 자바스크립트 필요)에게 연락하거나 여기를 방문하세요.
감지기
자동차 부품을 생산하는 제조업체들에게는 판돈이 높습니다. 자동차 운전자와 승객은 용접 품질이 설계된 조건에서 버텨주길 의지합니다. 제작 공정 중 포착되지 않은 단 하나의 실수가 비즈니스를 취약하게 만들거나, 특히 해당 부품이 어셈블리에 안전 중요(safety critical)한 경우 더 나쁘게 만들 수 있습니다. 예를 들어 자동차 시트는 승객과 직접 접촉하므로, 시트 용접은 안전 중요로 간주됩니다. 이 분류는 생산 전 특정 프로토콜을 지시합니다. OEM 요구사항은 다양하지만, 사용되는 부품, 플랜트, 산업 장비에 따라 약간의 차이로
주요 걸림돌 중 하나는 3D 레진 프린팅이 산업 수준에서 구현될 때 항상 겪었던 사용 가능한 소재의 제한적 다양성이었습니다. 원래 사용 가능한 소재는 저분자량 아크릴레이트 올리고머 기반 레진뿐이었으며, 높은 취성과 열악한 기계적, 열적 특성이 특징이었습니다. 이 때문에 3D 레진 프린팅은 FDM이나 SLS 같은 열가소성 기반 3D 프린팅 기술에 밀려 기능성 부품 및 프로토타입 생산에서 항상 뒷전으로 밀려났습니다. 그러나 최근 몇 년간 상황이 극적으로 변했습니다. 특정 전문 응용 분야를 위해 개발된 첨단 특성의 새로운 기술 레진의 등
