DRIにおける主要な要件とトレンド

DRIは高度に専門化されたイメージングシステムを利用します。これらはアプリケーションの厳しい要件を満たし、非常に広範囲にわたる、しばしば厳しい条件下での最適な性能を確保するために必要です。しかし、DRIの性能要求は絶えず変化しています。それは複数の外部要因によって進化し続けています。この変化する状況の主要な推進要因には以下が含まれます:

1. センサーの改良
   技術の進歩により、より小さなピクセルとより多くのピクセル数（つまりカメラの解像度の向上）を持つセンサーが継続的に生み出されています。その結果、IRイメージャーの製造者は「光学制限」に陥らないように努力しなければなりません。これは、イメージングシステムの性能がセンサーではなく光学系の性能によって主に制約される状況を指します。

   今日では、10μmのピクセルピッチを持つセンサーは珍しくなく、さらに小さいサイズ（8μm、7.5μm、あるいは5μmピクセル）に向かっています。SXGAセンサーフォーマット（1280 x 1024ピクセル）は比較的標準であり、一部のシステムではフルHDフォーマット（1920 x 1080ピクセル）センサーを利用しています。

2. SWaP-C 最適化
   サイズ、重量、電力、およびコスト（SWaP-C）の最適化は、今日の軍事システム設計において重要な命題であり、多くのプラットフォームで先進技術の開発を導いています。特にDRIシステムにおいては、監視用の無人航空機（UAV）やドローンの利用が増加しており、厳しいSWaP制約が求められます。これらのプラットフォームは、性能を犠牲にすることなく軽量、コンパクト、かつエネルギー効率の高い光学システムが求められています。

3. マルチスペクトル運用 
   現代の監視システムはマルチスペクトルイメージングの恩恵を受けることが多いです。可視光、SWIR、MWIR、およびLWIRを含む複数のスペクトル帯域で同時に動作することにより、より広範な照明および天候条件下で効果的な監視が可能になります。これにより、全体的な状況認識が向上し、範囲内での特定の要素や脅威を正確に検出、識別、認識する能力が拡大します。

4. 環境および運用上の課題
   セキュリティおよび監視業務は、極端な温度、雨、霧、ほこり、塩水の飛沫などの厳しい環境条件下で行われることが多く、ミッションは日夜を問わず遂行されます。イメージャーは衝撃や振動にさらされることがあり、その外部表面は定期的に清掃する必要があります。レンズはこれらすべての環境および運用シナリオに耐えながら、性能を損なわないように設計されなければなりません。

MKS Ophirのソリューション

これらの要件に対応するには、設計と製造の両面で特定の技術を展開する必要があります。ここでは、現代のセキュリティおよび監視業務の厳しい要求に応え、先進的なDRIおよびSWaP-C要件を一貫して満たすためにMKS Ophirで採用されている方法をいくつか紹介します。

1. DRIの解像度要件
   Ophirは、DRIレンズの最も厳しい解像度および光学性能要件に対応するための包括的な能力を備えています。これらの能力の基盤は、当社の設計プロセスにあります。当社のエンジニアはDRIレンズに豊富な経験を持ち、最先端の光学設計ソフトウェアを利用しています。これにより、非常に革新的なソリューションを創出することが可能となっています。

   設計者の成功を確実にする重要な要因は、当社の製造能力が広範な設計スペースを提供していることです。つまり、彼らの設計ツールボックスには、先進材料、表面形状、表面タイプの広範な選択肢が含まれています。

   伝統的な球面、非球面要素、自由曲面、さらには回折要素やホログラフィック要素を含む、ほぼあらゆる表面形状やタイプを使用できる能力により、高いMTF目標を達成し、色収差を最小限に抑え、レンズのズーム範囲全体で優れたパフォーマンスを維持することができます。

   もちろん、設計の完全な性能を引き出すためには、生産段階で忠実に再現される必要があります。当社が保有する高精度な製造技術の幅広い範囲が、この目標を達成するために不可欠です。これには、光学面の正確な製造および部品の厳密な機械的公差の維持能力が含まれます。また、高品質のコーティングを施す能力も関わります。最後に、光学要素がアセンブリ内で完璧に整列することを確保するために、さまざまな技術を採用しています。

   また、Ophirが大口径の光学部品を製造できることも注目に値します。これらは、DRIズームレンズで非常に高い倍率を達成するために重要です。

   Ophirのもう一つの重要な利点は、設計と製造を統合していることです。設計から最終組立までの全プロセスが一つの施設で行われます。これにより、複雑なアセンブリの製造時に干渉計を使用してアセンブリを測定し、実際のテストデータを設計者にフィードバックすることが可能です。設計者は、性能向上のために必要な部品間隔や整列の変更を再計算し、これを組立担当者が直接実施できます。これにより、各生産ユニットのパフォーマンスを最大限に引き出すことができます。

   単一施設内での垂直統合アプローチにより、製造設計（DFM）の原則を完全に実装し、その実践の最大の利益を引き出すことができます。設計者が製造プロセスに参加することで、最も実用的で成功する設計アプローチを把握できます。これは、絶え間ない市場の要求に対応し続けるための継続的な改善プロセスにとって不可欠です。

2. SWaP-C 最適化
   さまざまな先進的なIR材料を活用することで、レンズシステムの総要素数を最小限に抑え、パッケージサイズと重量を減少させ、製造コストを削減することができます。特に非球面や回折能力の使用は、レンズの収差を最小限に抑え、部品数を減らすための強力なツールとなります。

   これらはすべて、連続ズームレンズ設計を製造するために重要な能力です。複数の単焦点レンズや焦点距離範囲の複数のズームレンズを使用する代わりに、一つのレンズを使用することで、システムサイズと重量を削減しながら高性能を維持できます。また、操作中に迅速に倍率を変更できることで、ユーザーにとっての柔軟性も向上します。

   当社のSWaP-C最適化能力は、折りたたみ光学構成やマルチスペクトル設計を使用することでさらに拡張されます。

3. 環境安定性と耐久性
   長距離DRIレンズの環境特性を向上させるために使用される技術の多くは、光学および機械的材料に関連しています。例えば、チタンやマグネシウム合金などの材料は、当社のレンズの構造によく使用されます。これらの材料は、機械的強度、低密度（つまり軽量）、および耐腐食性の組み合わせを特に考慮して特別に選ばれています。

   当社のエンジニアは、レンズが広範な温度範囲にわたって焦点と性能を維持するために、アサーマル化技術を採用しています。異なる熱膨張係数を持つ材料を組み合わせることで、熱変化を自動的に補償するアセンブリを作成することができます。さまざまな環境条件で安定性と精度を維持するレンズは、頻繁な再調整の必要性を減少させ、監視システムの運用効率を向上させます。

   光学面では、当社のレンズにはハードカーボン（HC / DLC）コーティングや高耐久性（HD）コーティングが施されています。これにより、傷や摩耗、環境劣化に対する耐性が向上します。これにより、レンズは過酷な条件下でも高性能を維持し、運用寿命が延ばすことが可能となります。

   Ophirのレンズアセンブリは、重量と剛性の最適化が図られており、衝撃や振動に耐えるよう設計されています。当社のエンジニアは、ズーム機構などの可動部品を設計およびテストし、過酷な環境条件下でもメンテナンスなしで長寿命を保証します。Ophirのレンズは、IP67環境基準を満たすかそれを超えており、雨、ほこり、およびその他の厳しい環境でも信頼性の高い性能を提供します。

4. 生産能力
   Ophirは、セキュリティおよび監視用途向けに幅広い光学製品を製造しています。これには以下が含まれます:

   • SWIRレンズ
   • 冷却カメラ用MWIRレンズ
   • 非冷却カメラ用LWIRレンズ
   • 軽量IRズームレンズ
   • 長距離IRズームレンズ
   あらゆるアプリケーションであらゆる動作パラメータに対して「最良」の結果を提供できる単一のスペクトル領域は存在しないため、当社ではさまざまなスペクトル範囲のレンズを提供しています。以下の表は、各タイプの長距離DRIレンズが優れている点とその欠点をまとめたものです。

これがマルチスペクトル運用が非常に価値がある理由です。各スペクトル領域の利点を活用しながら、その制約を回避することができます。

さらに、ベストなパフォーマンスはアプリケーションごとに異なります。これらの光学製品が対応する多様なタスクには、それぞれ固有のパフォーマンス目標と要件があります。しかし、すべてのアプリケーションに共通する重要な要件がいくつかあります。その結果、すべてのOphir光学製品は以下のように設計・製造されています:

• ズーム範囲全体で照準を維持
• ズーム範囲全体で固定f値を維持
• ズーム範囲全体で焦点を維持
• 幅広い温度範囲および過酷な環境条件での動作
• 高画質の画像を提供
• 連続光学ズーム調整可能で迅速なFOV変更を提供
• 一般的な冷却MWIRおよび非冷却LWIR検出器との互換性を提供

製品紹介

OOphirは100種類以上のIRズームレンズを製造しており、DRIアプリケーション専用のレンズも10種類以上あります。そのため、すべての製品をこの文書でレビューすることはできません。

Ophirの全体的な能力を簡単に紹介するために、ここではSWIR、MWIR、およびLWIR検出器向けの3つの長焦点距離連続ズームレンズの詳細を説明します。各レンズは、その特定のスペクトル範囲においてDRIアプリケーションのための最新技術を提供します。

1. SWIR & NIR 25-250mm f/5.5 (NFOV) f/4.0 (WFOV)
   これらのスペクトルバンドでの運用により、長距離検出範囲が得られ、昼夜の運用の良好なバランスと、霞、煙、海上の霧を透過する能力が提供されます。この画期的な長距離SWIRズームレンズは、最新の5 μm SXGA SWIR検出器（および10 μm SXGA、15 μm VGAセンサー）と互換性のある、高度にSWaP最適化された連続ズームレンズです。独自の機械設計および光学設計を採用し、重量はわずか860g、長さは214 mmです。これにより、競合するSWIRレンズよりも約60％軽量化されています。このSWIRレンズは色補正されており、歪みを最小限に抑えながら 0.7 μm までの動作をサポートします。

   Ophir SWIR & NIR 25-250mm 主な利点

   • 12 μmピクセル 1280x1024 SXGA 非冷却LWIRカメラに対応
   • あらゆる条件下での一貫した動作のためのパッシブアサーマル化
   • 車両検出範囲 12.5 km超
   • 高耐久性、低反射のハードカーボンARコーティング

   
   

   

   図1. (a)はWFOVズーム位置（25mm）でのMTFパフォーマンスを示し、図1. (b)はNFOV位置（250mm EFL）でのMTFパフォーマンスを示します。 これらのチャートは、WFOVおよびNFOVの両方で、SXGA、10μm検出器と組み合わせた場合の焦点面全体の異なるフィールド位置における空間周波数の関数としてのMTFのサジタル（S）およびタンジェンシャル（T）成分をプロットしたものです。
   

   

   画像1: SWIRと可視光の同時撮影画像

   図1に示されているように、レンズは上記のズーム位置（および実際にはここに示されていない中間ズーム位置）でも高いMTF値を維持しているのがはっきりと分かります。この NFOV では微妙なディテールがより必要となるため、最高のパフォーマンス レベルは狭い FOV を対象としています。

2. 5μmセンサーのMTFパフォーマンスは、特に狭FOVおよび中FOV位置で回折限界に近く、10 μmセンサーのパフォーマンスよりも大幅に優れています。これは、5μmセンサーの最大オフ軸フィールドが10μmセンサーの半分であるのに対し、cy/mmが50から100に倍増しているためです。

   WFOVおよびNFOVの両方でのサジタルMTFは、全焦点面で回折限界に近く、一方でタンジェンシャル成分は特にWFOVで低くなっています。

3. SupIR® (MWIR) 60-1200 mm f/4.0
   MWIRイメージングは、夜間の最長検出範囲を提供し、煙、霞、高湿度などの過酷な環境条件下でも優れたパフォーマンスを発揮します。このレンズは、車両検出および長距離監視において優れたDRI範囲（28 kmを超える）を提供し、対無人航空システム（C-UAS）アプリケーションに非常に適しています。このモデルは、10 μmピクセルサイズの1280x1024 SXGAフォーマットの冷却MWIRカメラと互換性があります。性能面では、ズーム範囲全体で正確な視線と焦点を維持します。

   図2に示されているように、このレンズのサジタルおよびタンジェンシャルMTFは、全焦点面で回折限界に非常に近く、特にWFOVで顕著です。これは、シャープで高性能な画像品質能力を意味します。

   SupIR® (MWIR) 60-1200 mm f/4.0 主な利点

   • 10μm SXGA/HD検出器と互換性あり
   • 拡張範囲での連続ズーム
   • 厳しい衝撃と振動への高耐性
   • 温度およびズーム範囲全体での自動焦点補正

   
   

   

   図2は、60-1200mm f/4レンズのNFOVとWFOV両方でのMTFチャートを示しています。

4. SupIR (LWIR) 40-300 mm f/1.5
   LWIRセンシングの最も優れた特徴は、物体から自然に放射される熱放射を検出することです。これにより、LWIRセンサーは外部光源なしで、完全な暗闇でも機能します。また、昼間の条件でも、LWIRは短波長よりも太陽光の反射（グリント）の影響を受けにくいです。さらに、LWIRイメージングは、他の波長に比べて悪天候やその他の環境条件の影響を受けにくいです。

   TこのLWIRズームレンズは、検出範囲、耐久性、非熱化、および検出器互換性の優れた組み合わせを提供します。特に、7.5倍のズーム比により、広い視野（FOV）が得られ、目標を失わずに位置を特定しズームインすることが容易になります。この機能は、レンズがズーム範囲全体で連続してシャープな焦点を維持することによってサポートされます。車両検出範囲は12.5 kmを超えます。

   このレンズは、12 μmおよび17 μmピクセルピッチの1280x1024 SXGAフォーマット非冷却LWIRカメラの両方をサポートします。これにより、多用途で異なるカメラシステムへの統合が容易です。

   SupIR (LWIR) 40-300 mm f/1.5 主な利点

   • 12 μmピクセル1280x1024 SXGA非冷却LWIRカメラに対応
   • あらゆる条件下での一貫した動作のためのパッシブアサーマル化
   • 車両検出範囲  12.5 km超
   • 高耐久性、低反射ハードカーボンARコーティング

   
   

   

   図3. (a)はWFOVズーム位置（40mm）でのMTFパフォーマンスを示し、図3. (b)はNFOV位置（300mm EFL）でのパフォーマンスを示します。