Ophir光电解决方案发布了一篇文章，详细介绍了其连续变焦镜头如何解决无人机行业的低swap要求，同时保持高光学性能。
摘要:无人机产业近年来有了显著的发展和发展。伴随着这种增长，我们看到无人机和无人机的发展越来越先进的红外成像系统，包含尺寸更小的探测器和像素尺寸更小的探测器，这对无人机光学系统提出了挑战。
镜头质量必须提高，以最大限度地提高成像性能与探测器能力，允许高分辨率的视觉。要确保光学组件适用于无人机和无人机，必须始终考虑三个关键因素，即SWaP -尺寸、重量和功耗。换句话说，光学系统必须紧凑、轻量化，并降低功耗，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光学器件，在整个变焦范围内具有清晰、干净的图像，MTF接近衍射极限，同时满足严格的SWaP要求。光学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，例如在国防工业中。
背景:无人机(UAV)产业正在迅速发展，据蒂尔集团分析师估计，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，无人机被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家执法和应急响应机构获得了无人机。
图1:具有紧凑框架载荷的无人机(UAV)
在商用无人机市场，需求一直在增长。具有热成像能力的商用无人机在检查电力线路、石油管道、森林火灾探测和其他基础设施方面发挥着重要作用。这种能力还用于协助消防行动，定位和评估火灾，即使在能见度很低的情况下。
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化成像性能。特定的光学需求由上述探测器分辨率和尺寸的增加提出，并伴随其像素尺寸的减小。
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:高质量的透镜对于提高探测器性能至关重要。即使使用最好的探测器，劣质的镜头也会产生劣质的图像。为了匹配高性能，需要小像素探测器，低f# s和更严格的公差，形成具有最小像差的透镜。为了满足这些要求，镜头还必须具有长焦距，以便从很远的地方捕捉图像。我们的解决方案基于先进的折叠光学和轻量化变焦透镜，优化了下一代红外热成像系统。
用于无人机和无人机的镜头
Ophir利用各种最先进的技术来满足无人机和无人机的光学要求。这些技术解决方案包括创新的光学和机械设计、奇异的材料以及独特的透镜制造和涂层技术。
连续变焦镜头解决了低swap挑战，同时保持高光学性能。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。
Ophir公司与国防和商业客户合作，开发了一系列轻量化和高性能的热成像变焦镜头，专为无人机有效载荷、无人机和手持设备设计。先进的变焦镜头采用了复杂的光学机械设计，以确保镜头是最小的，最轻的，最紧凑的，同时仍然实现了最高水平的红外热成像性能。
例如，图2(a)显示了LightIR 20-275mm f/5.5轻型变焦镜头及其光机械布局。创新的光学机械设计使其重量仅为264克。尽管有SWaP限制，但先进的轻量化设计导致整个油田的MTF值都很高，如图3(b)所示。此外，先进材料的选择使其具有独特的消热性能，在-35°C至+65°C的宽工作温度范围内保持最高性能。
该镜头的特点导致较长的操作范围相对于镜头的尺寸和重量。例如，当与一个23mK NETD, 15μm像素探测器(基于FLIR92模型计算)集成时，2.3m车辆的探测距离将约为15公里。据我们所知，这是目前市场上最小、最轻的连续变焦镜头，能够在恶劣环境条件和受限平台下实现先进红外热成像系统的高性能功能。
图2所示。轻巧的20-275mm f/5.5变焦镜头
(a)光机布局和图片;(b) MTF特性
另一种解决低SWaP挑战的方法包括折叠光学配置，特别为紧凑的万向节有效载荷设计。Ophir公司的折叠光学16-180mm f/3.6变焦镜头就是一个例子，该镜头针对MWIR 10μm像素探测器进行了优化。
图3(a)展示了16-180mm f/3.6变焦镜头的光学机械布局和图片。该设计基于一个标准的继电器和物镜配置，有两个移动组，允许焦距的变化。
材料的选择采用了最佳实践，以及消热和消色差化的概念。
折叠光学设计使较长的光学长度降低了对公差的敏感性，在紧凑的配置中，减少了光学元件的数量，同时解决了这种概念的各种挑战。其中包括视线(LOS)的稳定，以及光学元件数量的减少，这是基于我们生产精度和质量卓越的非球面和衍射表面的能力。
图3所示。折叠光学16-180mm f/3.6变焦镜头
(a)光机布局和图片;(b) MTF特性
图3(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。可以看到，这种设计的高MTF性能在整个赛道上都保持着，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水平。非球面透镜表面是理想的，特别是当涉及到红外光学时，显示出比球面光学性能的显著增加。非球面衍射透镜表面允许集成多种功能，如色差和球差校正。因此，由钻石车削生产的镜片可以结合多种元素，降低整体尺寸和重量。
耐用的防反射镜片涂层的使用也提高了光学性能，对镜片的尺寸或重量没有任何影响。透镜涂层通过减少反射损失来最大化传输。先进的涂层技术可以用来生产定制的涂层。这些涂层可以设计来满足无人机行业的需求，无人机可能部署在各种环境中，每种环境都有自己的光学挑战。
产品功能
当涉及到无人机、有效载荷、无人机和手持设备应用的光学时，Ophir的产品系列具有以下功能:
- 适合微型框架的小尺寸透镜
- 超轻重量变焦和定焦镜头
- 高光学性能
- 低功耗
- 高耐久性(HD)或低反射硬碳(LRHC) AR涂料
- FOV快速变化
- 连续变焦，在整个变焦范围内保持固定的f#
- 精确的穿透变焦孔瞄准镜
- 兼容主要MWIR和LWIR探测器
- 衍射限制光学设计
结论:先进的光学解决方案是机载任务性能的关键，以保证高成像质量，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还必须配备高性能镜头，否则图像质量就会很差。
用于无人机和无人机的光学必须满足称为“SWaP”(尺寸、重量和功耗)的严格限制。满足这些限制条件对光学透镜制造商提出了挑战，他们必须提供紧凑、轻量化和高性能的透镜，以在恶劣的环境条件下运行。
这些限制是通过先进的制造技术和独特的光机械设计来满足的。Ophir成功设计并实现了先进的红外变焦透镜，基于独特的折叠光学设计，适用于10μm像素尺寸，以及具有相对较长的焦距的轻量光机械概念。在这两种镜头中，我们已经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进行远距离、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的机会。
参考文献
1.蓝藻集团(2017)-https://www.tealgroup.com/index。php /页面/新闻/ 54-teal-group-predicts-worldwide——civil-drone-production-will-soar-over-the-next-decade
2.盖丁格，D.(2017)。公共安全无人机。检索自无人机研究中心-https:// dronecenter.bard.edu/files/2017/04/CSD-Public-Safety- Drones-Web.pdf
