Fortschritte bei handelsüblichen MWIR-Bildgebungssystemen können die Entwicklungszeit um zwei Jahre verkürzen

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Integrierte Lösungen für MWIR und stufenlose Zoomobjektive

Infrarotkameras für mittlere Wellenlängen (MWIR) sind seit Langem die bevorzugte Lösung für klare Details in Wärmebildern aus einer Entfernung von mehr als einem Kilometer (km) für Anwendungen in der Verteidigung, zur Drohnenabwehr, in der Sicherheit, für unbemannte Flugsysteme und für sonstige Überwachungszwecke mit großer Reichweite. Um diese Anforderungen an bildgebende Systeme zu erfüllen, verfügen diese üblicherweise über ein stufenloses Zoom-Objektiv (CZ). Die Entwicklung kundenspezifischer Kameras und CZ-Objektive kann viel Zeit und erhebliche Ressourcen erfordern und es kann kompliziert werden. Mit den jüngsten technischen Durchbrüchen bei Standardlösungen, die für die Entwicklung der MWIR-Plattform erhältlich sind, können die Integratoren jedoch jetzt in erheblichem Umfang Kosten einsparen, die Leistung optimieren, technische Risiken reduzieren und ihre Zeitpläne verbessern. Integratoren könnten die Entwicklungszeit um zwei Jahre
oder mehr verkürzen.

Früher mussten die Integratoren von MWIR-Bildgebungsplattformen mit mehreren Unternehmen zusammenarbeiten, um die Sensorbaugruppe, die Optik und die Komponenten der elektrischen Teilsysteme zu beschaffen. Mit der Einführung mehrerer neuer MWIR-Kameras und CZ-Objektivbaugruppen von Teledyne FLIR ab 2021 sind für die Integratoren jetzt Standardsysteme oder teilweise kundenspezifische Systeme von einem einzigen Fertigungspartner erhältlich, was Vorteile bei der Konstruktion, Integration, beim Service und beim Support bietet.

In diesem Beitrag werden die traditionellen Herausforderungen bei der Entwicklung von MWIR-Bildgebungsplattformen erläutert und es wird gezeigt, wie die Nutzung eines einzigen Lösungsanbieters die Markteinführungszeit, die Komplexität und den Preis reduzieren und gleichzeitig Größe, Gewicht und Leistung (SWaP) verbessern kann.

Fortschritte bei der MWIR-Kamera- und CZ-Objektivtechnologie

Fortschritte bei MWIR-Sensoren für hohe Betriebstemperaturen (HOT) haben Verbesserungen bei Größe, Gewicht und Leistung der Kamerasysteme sowie eine schnellere Bildaufnahme ermöglicht. Dies macht HOT-MWIR-Kameramodule perfekt geeignet für unbemannte Flugsysteme, geheimdienstliche Ermittlungen, Überwachung und Aufklärung (ISR) sowie für tragbare Anwendungen wie Zieleinrichtungen für Waffensysteme.

Ebenso wichtige Fortschritte wurden bei der MWIR-CZ-Objektivtechnologie erzielt. Im Gegensatz zu Zoomobjektiven für den sichtbaren Bereich ist die MWIR-CZ-Optik traditionell komplex und kostspielig, da exotische Materialien benötigt werden und es schwierig ist, die Schärfe über den gesamten Zoom-Bereich aufrechtzuerhalten – vor allem, wenn sie in einem großen Temperaturbereich arbeiten. Dank verbesserter Konstruktionswerkzeuge, neuer optischer Materialien und automatisierter Fertigungstechniken können Integratoren jetzt mehrere neue SWaP- und leistungsoptimierte CZ-Objektivbaugruppen entwickeln.

Traditionelle konstruktive Herausforderung

Abbildung 1. Explosionszeichnung der Baugruppe des Teledyne FLIR Neutrino LC mit integriertem 19-290 CZ-Objektiv

Ein MWIR-Kamerasystem besteht aus mehreren Teilsystemen. In der Bewegung von links nach rechts (Abbildung 1) bestimmt die stufenlose Zoomoptik das Sichtfeld (FOV) oder die optische Vergrößerung der Kamera. Das Objektiv sammelt und fokussiert die MWIR-Energie auf das Focal Plane Array (FPA), das in eine eingebaute Dewar-Kühlerbaugruppe (IDCA) eingepackt ist. Die Kameraelektronik verarbeitet die Informationen aus dem IDCA in nutzbare Daten oder ein Bild, das den Kameraausgang sowie die Befehls- und Steuerungssoftware unterstützt.

Die herkömmliche Methode zur Beschaffung und Integration dieser Lösungen erforderte oft die Entwicklung separater Anforderungen an die Teilbaugruppen und die Zusammenarbeit mit mehreren Quellen zur Entwicklung eines MWIR-CZ-Systems. Bei der Entwicklung separater Anforderungen an die Teilbaugruppen müssen die Integratoren mehrere Leistungsparameter berücksichtigen und auf Systemebene konsolidieren, um Objektiv- und IDCA-Anbieter zu unterstützen. Beispielhafte Überlegungen finden Sie in Tabelle 1 weiter unten. Bei gut ausgestatteten Projekten mit einzigartigen Anforderungen und längeren Zeitplänen kann dies funktionieren, aber wie bei CMOS-Kameralösungen erkennt die Industrie zunehmend den Wert der Zusammenarbeit mit einem einzigen Anbieter, der in der Lage ist, so schnell wie möglich eine erschwingliche und leistungsstarke Lösung von der Stange zu liefern.

Abgesehen von den in Tabelle 1 beschriebenen Überlegungen können diese bildgebenden MWIR-Systeme aufgrund von Zugeständnissen bei der Kompatibilität auch unter verminderter Systemleistung und Zuverlässigkeit leiden. Dies führt zu Effizienzverlusten und unnötiger Komplexität im Systementwicklungsprozess und bei der Integration, Beschaffung, Herstellung und schließlich beim Support.

Tabelle 1. Beispielkonstruktionen für MWIR-Kameras mit CZ-Optik

Integration und Support getrennter Teilsysteme

Nach der Konstruktion kann die Integration von Teilsystemen mehrerer Anbieter weitere Probleme mit sich bringen. CZ-Infrarotobjektive sind extrem komplex und erfordern eine präzise Ausrichtung in fünf Achsen. Dies erfordert beträchtliche Investitionen, die sich durch den Kauf von Geräten wie Kollimatoren, Temperaturkammern, schwarzen Körpern, MTF-Testgeräten und Vibrationsteststationen auf mehr als 400.000 USD belaufen können. Hochspezialisierte Prüftechniker und Ingenieure müssen dann geschult und finanziert werden, um die Integration zu unterstützen. Auch die Softwareprotokolle können für jedes Teilsystem unterschiedlich sein, was sowohl die Integration als auch den Support erschwert.

Sobald integrierte Lösungen im Einsatz sind, können auch Support und Service schwierig sein. Im Allgemeinen muss der technische Support für den Kunden vom Integrator in Zusammenarbeit mit den Anbietern von IDCA und Objektiv-Subsystemen geleistet werden, um zufriedenstellende Lösungen zu erzielen. Auch ein zur Wartung oder Reparatur zurückgesendetes Gerät muss vom Integrator bearbeitet und disponiert werden, bevor das entsprechende Teilsystem zur weiteren Bearbeitung an den Lieferanten zurückgesendet werden kann. Dies erfordert mehr Zeit und Aufwand.

Abbildung 2. Für den Support und Garantieservice kann Input vom Integrator und wichtigen Lieferanten erforderlich sein

Teilweise kundenspezifische und Standard-Lösungen

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass eine Standardlösung ähnlich der Neutrino® IS-Serie im Gegensatz zur Entwicklung einer kundenspezifischen Objektiv-/Kameralösung aufgrund der folgenden Vorteile oft ein besseres Produkt bietet:

• Optimierte SWaP, Benutzerfreundlichkeit und Bildleistung
• Toleranzen zwischen Optik und Kamera sorgen für erstklassige Justiertreue
• Vereinfachte und gängige elektrische und Softwaresteuerungen vermeiden Schnittstellenprobleme
• Weniger bewegliche Teile, Anschlüsse, Kabel und Software-SDKs
• Kamera und Objektiv sind werkseitig präzise auf höchste Bildqualität ausgerichtet und kalibriert
• Ein einziger Ansprechpartner für den gesamten Service und technischen Support

Teledyne FLIR kann seinen Kunden dabei helfen, die für ihre Anwendung geeignete Lösung aus den vorhandenen Standardoptionen auszuwählen. Dank der gemeinsamen Schnittstelle der Neutrino SWaP-Serie können teilweise kundenspezifische Lösungen schneller und zu geringeren Kosten als eine kundenspezifische Lösung entwickelt und integriert werden. So können Integratoren mit einem einzigen Anbieter für Lösungen zusammenarbeiten, die IR-Detektoren, Kühlsysteme, Zoomobjektive, Kamera/Objektiv-Elektronik und Verpackung umfassen.

Abbildung 3. Das Portfolio der Neutrino IS-Serie von Teledyne FLIR (Juli 2022)

Auswirkungen auf den Marktzugang

Durch den Zugriff auf ein breites Portfolio an Standardlösungen, die je nach Vorlaufzeit in drei bis vier Monaten verfügbar sind, können Integratoren viel Zeit und Entwicklungskosten sparen. In der Zwischenzeit sind teilweise kundenspezifische Lösungen, die früher typischerweise ca. 18 Monate dauerten, innerhalb von sechs bis neun Monaten lieferbar. Im Vergleich dazu sollten die Entwickler für Akquisitionsprogramme mit kundenspezifischen Lösungen ab der Definition der Anforderungen bis zur endgültigen Qualifizierung 24 bis 30 Monate einplanen. Es ist wichtig zu beachten, dass solche kundenspezifischen Lösungen erheblich optimiert werden können, indem die Anforderungen auf höheren Montageebenen festgelegt werden, wie sie für kommerzielle Kamerasysteme für sichtbares Licht allgemein erhältlich sind. Die Zusammenarbeit mit einem einzigen vertikal integrierten Lösungsanbieter führt zu einem kürzeren Design-Zyklus, einem rationalisierten Beschaffungsprozess und einer besseren Fähigkeit, zuverlässige Lösungen zu entwickeln.

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Abbildung 4. Vergleich von Anforderungen, Entwicklung, Integration und Qualifizierung für kundenspezifische, teilweise kundenspezifische und Standardlösungen