应用注意事项:适用于无人飞行器和无人机的SWap高级红外光学镜头.

应用注意事项:适用于无人飞行器和无人机的SWap高级红外光学镜头.

背景介绍在安防和监控领域,远距离红外 (IR) 成 像技术在监控、追踪和定位方面发挥着越来越重要的 作用。预计用于商业、两用安防和监控应用的红外系 统的全球市场会快速增长,其规模将在2025 年达到总 计 2.43 亿美元,[1] 年均复合增长率 (CAGR) 为 6.1% (2019-2025)。

利用红外成像技术,红外相机配备有高性能红外镜头, 红外镜头能够有效捕捉到发射出的红外辐射,并将其 聚焦到探测器阵列上,可以在极远范围内拍摄人员和 车辆图像。

用于远距离安防和监控的红外光学镜头的生产受近期以 下市场趋势影响:


图 1:安防和监控摄像头所采用的红外成像技术

  • 接近衍射极限红外系统的发展
    随着红外探测器 像元尺寸的减小,分辨率的不断增加,这就要求 红外光学镜头要尽可能的接近衍射极限。这对红 外光学元件的加工,装配提出了更高的要求。
  • 无人机在安防和监控方面的应用愈加频繁
    无人机载荷有着严格的 SWaP(尺寸、重量和功率) 限制,因此需要新的创新型光学机械设计。
  • 对多光谱功能的需求
    对多光谱功能系统的需求大增,包括短波红外 (SWIR) + 中波红外 (MWIR)、中波红外 (MWIR) + 长波红外 (LWIR) 以及可见和近红外波段,因此对光 电载荷规格提出了新要求。
  • 在各类环境条件下均可持续运行
    安防和监控任务昼夜进行,同时还需承受下雨或起 雾等恶劣的能见度条件。因此,光学镜头必须经久 耐用,在各类环境条件下均可保持高性能表现。

难题 鉴于上述趋势,光学制造商面临以下挑战:如何 在现代安防和监控成像系统的限制要求下生产出高性能 光学产品。

为此,应考虑到以下关键因素:

  • 具备远距离探测、识别与辨识 (DRI) 功能
  • 镜头匹配的探测器类型(波段,制冷或非制冷)
  • 探测器分辨率和像元尺寸
  • 焦距和F数
  • 尺寸和重量限制 SWaP 限制, 特别是无人机系统的限制)
  • MTF要求
  • 环境要求

出于这些考虑,Ophir 采用了创新型设计和制造技术。


图 2:折叠式光学变焦镜头设计

解决方案 采用下述红外光学元件构造方式,Ophir 得以应对远距离安防和监控系统的严峻挑战:

连续变焦镜头设计
由于连续变焦镜头仅包含一个变焦镜头,而非多个单视场角 (FOV) 镜头,因此可在减少体积和重量的情况下实现高的性能。为确保安防和监控任务的灵活性,在使用过程中,用户可以随意改变放大倍数。

创新的光学设计

  • 先进的红外材料可减少元件数量,解决无热化、消色差、尺寸及重量问题。
  • 折叠式光学设计还可减少尺寸和重量(见图 2)。
  • 衍射极限的光学设计可实现最高性能

创新的机械设计
使用以下部件,机械设计确保了恶劣环境条件下的耐用性,确保了在不同环境条件下的高度准确性和稳定性:

  • 高精度的机械部件
  • 具备高度准确性和稳定性的基座与硬质涂层部件
  • 优质材料,实现无热化与 SWaP 设计
  • 适应各种恶劣环境条件的组件
为耐受冲击和振动,Ophir 优化了镜头组件的重量和刚性。工程师设计并测试运动部件,使其在极端环境条件下无需维护即可拥有较长的使用寿命。镜头组件 (第一片)具备 IP67 或以上的环境等级要求。

先进的生产能力
凭借先进的自主生产能力,公司可制造出适用于特定应用的部件,部件形状多样,应用材料丰富。此外,为获得更长焦距,具备高精度的大尺寸光学元件生产能力也是很重要,因此我们先进的镜头生产能力正是应对此类挑战的关键因素之一。

光学镀膜也对光学性能起着重要作用。Ophir 采用高耐久性 (HD) 和低反射硬碳 (LRHC) 增透膜,大幅提高产品在极端环境条件下的性能与耐用性。此类镀膜还适用于多光谱应用。

产品功能
为满足安防和监控应用的需要,Ophir 为提供了全套产品,其主要特性如下:

  • 在整个变焦范围内保持光轴一致
  • 在整个变焦范围内保持固定F数
  • 在整个变焦范围内保持齐焦性
  • 在低温和恶劣的环境条件也可工作
  • 保持高图像质量
  • 快速变倍实现视场切换
  • 兼容主要的中波红外和长波红外探测器

为证明公司实力,我们介绍以下三款长有效焦距 (EFL) 变焦镜头,它们在远距离安防和监控应用中均有出色表现:


图 3:Ophir 最长焦距远距离连续变焦镜头。 从左到右: 28-850mm f/5.5、45-900mm f/4.0 及 SupIR 50-1350mm f/5.5

SupIR® 28-850mm f/5.5
该镜头的主要特性:

  • 覆盖中波红外光谱范围,波长为 3μ 至 5μ
  • 兼容像素间距为 15μ 的高清探测器 (1280 x1024)
  • 30 倍变焦比
  • 折叠式设计
  • 光轴一致性良好
  • 工作范围较远(探测范围超过 20 km,详见图 7)


图 4:SupIR 28-850mm f/5.5 MTF 性能

图 4 为镜头在窄视场 (NFOV) 与宽视场 (WFOV) 下的 MTF。可以看出,WFOV 和 NFOV MTF 均接近衍射极限,

SupIR® 45-900mm f/4
该镜头由 15-300mm f/4 镜头与 3 倍光学增距镜组成。它们构成变焦镜头,有效焦距可达 900mm,具备 20 倍变焦比,在整个变焦范围内实现固定F数为 4.0。

图 5 给出该镜头在 WFOV 和 NFOV 下的 MTF 图。 可以看出WFOV 和 NFOV MTF均接近衍射极限。


图 5:SupIR 45-900mm f/4 MTF 性能

SupIR® 50-1350mm f/5.5
该系列的第三款镜头为 50-1350mm f/5.5 变焦镜头,产品在 28-850mm 镜头的基础上另配了一个增距镜。与 28-850mm 变焦镜头类似,这款产品支持 SXGA 1280 x 1024 分辨率,15μ 焦平面阵列 (FPA) 格式,性能接近衍射极限。作为目前公司产品系列中焦距最长的镜头,该产品符合空中及监控应用对远距离热成像光学元件的严苛要求,其探测距离可超过 26km。

图 6 是 50-1350mm f/5.5 镜头在 WFOV 和 NFOV 下的 MTF 图表该产品的 MTF 性能与构成的 28-850mm 变焦镜头相差无几。因此,在整个焦平面上,其宽窄视场角上的矢向 MTF 均接近衍射极限。


图 6.SupIR 50-1350mm f/5.5 MTF 性能

图 7 给出此类镜头的 DRI 性能值,其中 SupIR 50- 1350mm f/5.5 镜头的探测范围可超过 26km。我们使用 美国陆军夜视实验室 (U.S Army Night Vision Lab) 的 FLIR92 模型计算 DRI 范围,假设大气衰减系数值为 0.2km-1。如图 4-6 所示,由于镜头具备较长的有效焦 距,且 NFOV MTF 值较高,因此 DRI 距离较远。


图 7:各镜头的探测、识别与辨识范围。

结论 对于小像元尺寸探测器和远距离探测光学系统而 言,其光学、机械及变倍的配置和部件是实现高性能的 关键所在。

当涉及到无人机载荷等受限平台时,产品必须采用在全变 焦范围内均可实现高光学性能的轻量化设计。

为在恶劣环境条件下获得高分辨率成像,镜头必须具备 较长的焦距和高变比,此外还需要高耐性用镀膜确保光 学系统具有高的且稳定的透过率。

凭借全新设计与先进生产能力的绝佳组合,Ophir 推出 具备高图像质量、高分辨率和连续变焦功能的产品,产 品在恶劣环境条件下也可实现远距离探测,从而满足了 安防和监控市场中下一代远距离热成像应用的需求。

参考文献
1. Maxtech International Inc.: “The world market for commercial and dual use infrared imaging and infrared thermometry equipment”, 2020.

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