Membuat Optik IR Canggih untuk UAV
Industri UAV telah berkembang pesat dan tumbuh dalam beberapa tahun terakhir. Seiring pertumbuhan ini, kami telah melihat perkembangan UAV dan dron dengan sistem citra inframerah yang semakin canggih, yang berisi detektor yang ukurannya lebih besar dan ukuran piksel lebih kecil, yang menampilkan tantangan untuk optik UAV.
Kualitas lensa harus meningkat untuk memaksimalkan kinerja citra sesuai dengan kemampuan detektor, memungkinkan visi resolusi tinggi. Tiga faktor krusial harus selalu dipertimbangkan untuk memastikan rakitan optik cocok untuk UAV dan dron; ini dikenal sebagai SWaP - Ukuran, Berat, dan Konsumsi Daya. Dengan kata lain, optik harus kompak, ringan, dan dengan konsumsi daya yang dikurangi, untuk memungkinkan waktu penerbangan maksimal.
Tantangan jatuh pada produsen optik untuk merancang dan memproduksi optik dengan citra yang tajam dan bersih di seluruh rentang zoom, dan MTF (fungsi transfer modulasi) yang mendekati batas difraksi, sambil memenuhi persyaratan SWaP yang ketat. Optik juga harus mampu menahan kondisi lingkungan yang keras yang terkait dengan berbagai aplikasi UAV dan dron, seperti di industri pertahanan.
Latar Belakang
Industri kendaraan udara tidak berawak (UAV) tumbuh dengan cepat, dengan analis Teal Group memperkirakan produksi UAV dunia akan mencapai $135 miliar dalam sepuluh tahun ke depan. Ketika dilengkapi dengan payload kamera EO/IR berkinerja tinggi, UAV dan dron cocok untuk berbagai aplikasi citra.
Pasar dron terdiri dari aplikasi pertahanan, pemerintah, dan komersial. Dalam bidang pertahanan dan pemerintahan, dron digunakan untuk survei militer dan polisi, kontrol perbatasan, keamanan, dan operasi pencarian dan penyelamatan. Antara 2009 dan awal 2017, setidaknya 347 agensi penegak hukum dan penanggulangan darurat di AS telah memperoleh dron.
Dalam pasar dron komersial, permintaan telah meningkat. Dron komersial dengan kemampuan citra termal memainkan peran penting dalam inspeksi jalur listrik, pipa minyak, deteksi kebakaran hutan, dan infrastruktur lainnya. Kemampuan semacam itu juga digunakan untuk membantu operasi pemadam kebakaran dengan menemukan dan menilai kebakaran, bahkan ketika visibilitas buruk.
Saat teknologi UAV diterapkan dalam berbagai tugas yang semakin canggih, kita melihat kebutuhan yang tumbuh untuk memaksimalkan kinerja citra. Kebutuhan optik spesifik disajikan oleh peningkatan resolusi dan ukuran detektor yang disebutkan sebelumnya, dengan penurunan ukuran piksel yang menyertainya. Produksi dron yang lebih kecil untuk penggunaan komersial juga meningkatkan tantangan yang dihadapi produsen optik.
Solusi
Lensa berkualitas tinggi esensial untuk memanfaatkan kemajuan performa detektor. Lensa yang buruk akan menghasilkan citra yang buruk, bahkan dengan detektor terbaik. Untuk mencocokkan detektor piksel kecil berkinerja tinggi, diperlukan F# rendah dan toleransi yang ketat, membentuk lensa dengan aberasi minimal. Untuk menjawab persyaratan ini, lensa juga harus memiliki jarak fokus panjang, untuk menangkap citra dari jarak jauh. Solusi terbaru didasarkan pada optik lipat canggih dan lensa zoom ringan, yang dioptimalkan untuk sistem citra termal inframerah generasi berikutnya.
Mengdesain Lensa untuk UAV dan Dron
Teknologi terbaru sedang digunakan untuk memenuhi persyaratan optik UAV dan dron. Ini mencakup desain optik dan mekanis inovatif, bahan eksotik, dan teknologi pembuatan serta lapisan lensa unik.
Lensa zoom kontinu menyelesaikan tantangan SWaP rendah sambil mempertahankan kinerja optik tinggi. Lensa ini lebih kecil dan lebih ringan daripada menggunakan beberapa lensa 1-FOV. Selain itu, lensa zoom kontinu memungkinkan fleksibilitas misi yang lebih baik dengan memungkinkan perubahan pembesaran selama operasi UAV.
Bekerja dalam kolaborasi dengan pelanggan pertahanan dan komersial, Ophir, misalnya, telah mengembangkan serangkaian lensa zoom citra termal berkinerja tinggi dan ringan yang dirancang khusus untuk digunakan dalam payload UAV, dron, dan perangkat gangan tangan. Lensa zoom canggih ini menggunakan desain optomekanis canggih, untuk memastikan bahwa lensa adalah yang terkecil, terringan, dan paling kompak, sambil masih mencapai tingkat performa citra termal IR yang tinggi.
Gambar 1(a) menunjukkan lensa zoom ringan LightIR 20-275mm f/5.5, dan tata letak opto-mekaniknya. Desain opto-mekanis inovatif menghasilkan bobot hanya 264 gram. Meskipun pembatasan SWaP yang menantang, desain ringan canggih menghasilkan nilai MTF yang tinggi di seluruh bidang, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 1(b). Selain itu, pemilihan bahan canggih memungkinkan properti athermalisasi unik, mempertahankan performa tertinggi di rentang suhu operasi yang luas, antara -35°C hingga +65°C.
Karakteristik lensa ini mengarah pada jangkauan operasional yang panjang relatif terhadap ukuran dan bobot lensa. Misalnya, jangkauan deteksi kendaraan 2,3m akan sekitar 15 km saat diintegrasikan dengan detektor piksel 15μm, NETD 23mK (berdasarkan perhitungan model FLIR92). Se pengetahuan kami, ini adalah lensa zoom kontinu terkecil dan terringan yang tersedia saat ini, yang memungkinkan kemampuan berkinerja tinggi dari sistem citra termal IR canggih di kondisi lingkungan yang keras dan pada platform yang terbatas.
Pendekatan lain untuk menyelesaikan tantangan SWaP rendah termasuk konfigurasi optik lipat yang dirancang khusus untuk payload giring kompakt. Contohnya adalah lensa zoom optik lipat Ophir 16-180mm f/3.6, yang dioptimalkan untuk detektor piksel MWIR 10μm.
Gambar 2(a) menunjukkan tata letak optomekanis dan gambar lensa zoom 16-180mm f/3.6. Desain didasarkan pada konfigurasi relai dan objektif standar, dengan dua grup bergerak yang memungkinkan perubahan jarak fokus. Bahan dipilih menggunakan praktik terbaik, serta konsep athermalisasi dan akromatisasi.
Desain optik lipat memungkinkan panjang optik yang panjang untuk sensitivitas yang dikurangi terhadap toleransi, dalam konfigurasi kompak, dengan jumlah elemen optik yang berkurang, sambil mengatasi berbagai tantangan dari konsep semacam ini. Ini termasuk stabilisasi garis pandang (LOS), dan jumlah elemen optik yang berkurang, berdasarkan kemampuan kami untuk menghasilkan permukaan asferik dan difraktif dengan tingkat akurasi dan kualitas yang luar biasa.
Gambar 2(b) menunjukkan hasil MTF sebagai fungsi frekuensi spasial dari desain lipat 16-180mm untuk WFOV dan NFOV, menggambarkan kemampuan desain untuk mendapatkan performa mendekati batas difraksi. Seperti yang terlihat, performa MTF tinggi dari desain ini dipertahankan di seluruh bidang, dan bahkan di sudut, performanya masih wajar.
Teknologi penggerinda berlian sering digunakan untuk menghasilkan permukaan asferik dan difraktif, dengan tingkat akurasi dan kualitas yang luar biasa. Permukaan lensa asferik diinginkan, terutama ketika berkaitan dengan optik inframerah, menunjukkan peningkatan signifikan dalam performa optik dibandingkan dengan sekutu sferiknya. Permukaan lensa asferik-difraktif memungkinkan integrasi berbagai fungsi, seperti koreksi aberasi kromatik dan sferik. Lensa yang dihasilkan oleh penggerinda berlian dapat menggabungkan berbagai elemen, mengurangi ukuran dan bobot keseluruhan.
Penggunaan lapisan lensa anti-reflektif yang tahan lama juga meningkatkan performa optik, tanpa dampak apa pun pada ukuran atau bobot lensa. Lapisan lensa memaksimalkan transmisi dengan mengurangi kehilangan refleksi. Teknik lapisan canggih dapat digunakan untuk menghasilkan lapisan yang disesuaikan. Lapisan ini dapat dirancang untuk memenuhi kebutuhan industri UAV, di mana dron dapat diterapkan dalam berbagai lingkungan, masing-masing menampilkan tantangan optiknya sendiri.
Lensa SWaP
Saat berkaitan dengan optik untuk UAV, payload, dron, dan aplikasi perangkat gangan tangan, optik Anda harus memuat kemampuan berikut:
Lensa bentuk kecil untuk muat di giring miniatur;
Lensa zoom & fokus tetap ultra-ringan;
Performa optik tinggi;
Konsumsi daya rendah;
Lapisan AR karbon keras tahan lama (HD) atau refleksi rendah (LRHC);
Perubahan FOV cepat;
Zoom kontinu, dengan F# tetap di seluruh rentang zoom;
Pengawasan bore selalu akurat melalui zoom;
Kompatibel dengan detektor MWIR & LWIR utama;
Desain optik batas difraksi.
Kesimpulan
Solusi optik canggih adalah kunci kinerja misi udara untuk kualitas citra yang dijamin tanpa beban berat pada payload UAV. UAV dan dron yang dilengkapi dengan detektor terbaik, perangkat lunak pemrosesan citra, dan monitor juga harus dilengkapi dengan lensa berkinerja tinggi, jika tidak risiko kualitas citra buruk.
Optik untuk UAV dan dron harus memenuhi batasan ketat yang dikenal sebagai ‘SWaP’ (Ukuran, Berat, dan Konsumsi Daya). Memenuhi batasan ini menampilkan tantangan bagi produsen lensa optik, yang harus memberikan lensa kompak, ringan, dan berkinerja tinggi untuk beroperasi di bawah kondisi lingkungan yang keras.
Batasan ini terpenuhi menggunakan teknologi manufaktur canggih, dan desain optomekanis unik. Sebagai contoh, Ophir telah berhasil merancang dan mengimplementasikan lensa zoom IR canggih dengan SWaP yang dikurangi berdasarkan desain optik lipat unik, yang cocok untuk ukuran piksel 10μm, serta konsep optomekanis ringan dengan jarak fokus yang cukup panjang. Keduanya menunjukkan performa MTF mendekati batas difraksi, dan kemampuan untuk visi dan identifikasi jarak jauh, resolusi tinggi di kondisi lingkungan yang keras, dan pada platform yang terbatas.
Rakit optik IR canggih semacam ini memenuhi persyaratan yang menantang industri UAV dan membuka peluang baru dalam aplikasi citra termal UAV dan dron generasi mendatang.
Artikel ini ditulis oleh Dr. Kobi Lasri, Manajer Umum, Ophir Optronics Solutions, MKS Instruments Inc. (Yerusalem, Israel). Untuk informasi lebih lanjut, hubungi Dr. Lasri di alamat email ini dilindungi dari spambot. Anda memerlukan JavaScript diaktifkan untuk melihatnya., atau kunjungi di sini.
Referensi
- Teal Group (2017).
- Gettinger, D. (2017). Public Safety Drones. Retrieved from Center for the Study of the Drone.
