Avanços em sistemas de imagens MWIR prontos para uso podem reduzir o tempo de desenvolvimento em dois anos

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Soluções integradas de lente de zoom contínuo e MWIR

Câmeras de infravermelho de onda média (midwave infrared, MWIR) têm sido há muito tempo a solução preferida para detalhes claros de imagens térmicas a distâncias superiores a um quilômetro (km) para aplicações de defesa, contra drones, segurança, drones e outras aplicações de vigilância de longo alcance. Para atender a esses requisitos de imagem, normalmente são integrados a um conjunto de lentes de zoom contínuo (continuous zoom, CZ). Desenvolver câmeras personalizadas e lentes de zoom contínuo pode ser caro em termos de tempo e recursos e pode se tornar complicado. No entanto, os recentes avanços tecnológicos em soluções prontas para uso disponíveis para o desenvolvimento da plataforma MWIR agora proporcionam aos integradores economias de custo significativas, otimização de desempenho, redução de risco técnico e melhorias no cronograma. Os integradores puderam ver uma economia de tempo de desenvolvimento de dois anos
ou mais.

Tradicionalmente, os integradores das plataformas de imagens MWIR precisavam trabalhar com várias empresas para obter o conjunto de sensores, componentes ópticos e de subsistema elétrico. Como lançamento de várias novas câmeras MWIR e conjuntos de lentes de zoom contínuo da Teledyne FLIR a partir de 2021, os integradores agora têm acesso a sistemas prontos para uso ou semipersonalizados de um único parceiro de fabricação que oferece vantagens de design, integração, serviço e suporte.

Este artigo analisa os desafios tradicionais do design da plataforma de imagens MWIR e ilustra como aproveitar um único provedor de soluções pode reduzir o tempo de lançamento no mercado, a complexidade e a acessibilidade, ao mesmo tempo em que melhora o tamanho, o peso e o desempenho (size, weight, and performance, SWaP).

Avanços na tecnologia de câmeras MWIR e lentes de zoom contínuo

Avanços em sensores de MWIR de alta temperatura operacional (high operating temperature, HOT) permitiram melhorias de tamanho, peso e desempenho no nível do sistema de câmeras com um tempo de imagem mais rápido, tornando os módulos de câmeras MWIR HOT perfeitos para drones, inteligência, vigilância e reconhecimento (intelligence, surveillance, and reconnaissance ISR) e aplicações portáteis, como miras de armas.

Avanços igualmente importantes têm acontecido com a tecnologia de lentes de zoom contínuo de MWIR. Em contraste com as lentes de zoom visível, a óptica de zoom contínuo de MWIR é tradicionalmente complexa e dispendiosa devido aos materiais raros necessários e aos desafios inerentes que mantêm o foco dentro de todo o alcance de zoom, especialmente ao operar em uma ampla faixa de temperatura. Agora com ferramentas de projeto de engenharia aprimoradas, novos materiais ópticos e técnicas de fabricação automatizadas, os integradores podem desfrutar do desenvolvimento de vários novos conjuntos de lentes de zoom contínuo otimizados para desempenho e tamanho, peso e desempenho.

Desafio de design tradicional

Figura 1. Montagem expandida do Neutrino LC da Teledyne FLIR com lente de zoom contínuo integrada 19-290

Um sistema de câmera de MWIR é composto por vários subsistemas. Movendo da esquerda para a direita (Figura 1), a óptica de zoom contínuo determina o campo de visão (field of view, FOV), ou ampliação óptica, para a câmera. A lente coleta e foca a energia de MWIR na matriz de plano focal (focal plane array, FPA) embalada em um conjunto resfriador integrado Dewar (integrated dewar cooler assembly, IDCA). Os componentes eletrônicos da câmera processam as informações do conjunto resfriador integrado Dewar em dados utilizáveis ou em uma imagem que suporta a saída da câmera, bem como o software de comando e controle.

O método tradicional para adquirir e integrar essas soluções muitas vezes exigia o desenvolvimento de requisitos de subconjuntos separados e o trabalho com várias fontes para desenvolver um sistema de zoom contínuo de MWIR. Ao desenvolver requisitos de subconjuntos separados, os integradores precisam considerar vários parâmetros de desempenho e consolidá-los no nível do sistema para apoiar os fornecedores de lentes e conjunto resfriador integrado Dewar. Consulte a Tabela 1 abaixo para obter exemplos de considerações. Para projetos bem equipados com requisitos únicos e prazos mais longos, isso pode funcionar, mas cada vez mais como com as soluções de câmera CMOS, o setor reconhece o valor de trabalhar e adquirir uma solução de um único fornecedor capaz de fornecer uma solução acessível, pronta para uso e de alto desempenho o mais rápido possível.

Além das considerações descritas na Tabela 1, esses sistemas de imagens de MWIR também podem sofrer redução de desempenho e confiabilidade do sistema devido a compensações de compatibilidade. Isso leva à perda de eficiência e complexidade desnecessária no processo de desenvolvimento do sistema e integração, aquisição, fabricação e eventual suporte do sistema.

Tabela 1. Exemplo de considerações de projeto para câmeras de MWIR com óptica de zoom contínuo

Integração e suporte de subsistemas separados

Após o projeto, a integração de subsistemas de vários fornecedores pode apresentar desafios adicionais. As lentes de zoom contínuo infravermelhas são extremamente complexas e exigem alinhamento preciso em cinco eixos. Isso requer gastos significativos de capital, potencialmente somando mais de US$ 400.000 por meio da compra de equipamentos como colimadores, câmaras de temperatura, corpos negros, equipamentos de teste de função de transferência de modulação (Modulation Transfer Function, MTF) e estações de teste de vibração. Técnicos e engenheiros de teste altamente especializados devem ser treinados e financiados para apoiar a integração. Os protocolos de software também podem diferir para cada subsistema que gera complicações para integração e suporte.

Uma vez que as soluções integradas estejam em campo, o suporte e a manutenção também podem ser difíceis de executar. Geralmente, o suporte técnico ao cliente deve ser tratado pelo integrador em conjunto com os fornecedores de subsistemas de lentes e conjunto resfriador integrado Dewar para alcançar resoluções satisfatórias. Uma unidade devolvida para manutenção ou reparo também deve ser processada e descartada pelo integrador antes que o subsistema relevante possa ser devolvido ao fornecedor para processamento adicional. O que adiciona tempo e gastos.

Figura 2. O serviço de suporte e garantia pode exigir informações do integrador e dos principais fornecedores

Soluções prontas para uso e semipersonalizadas

Para resumir, uma solução pronta para uso, semelhante ao Neutrino® IS Series, em vez de desenvolver uma solução personalizada para lentes/câmeras, muitas vezes fornece um produto superior devido às seguintes vantagens:

• Desempenho de imagem, usabilidade e tamanho, peso e desempenho otimizados
• As tolerâncias ópticas para câmera garantem a melhor retenção de mira da categoria
• Controles de software e elétricos simplificados, comuns eliminam problemas de interface
• Menos partes móveis, conectores, cabos e SDKs de software
• A câmera e a lente são alinhadas com precisão de fábrica e calibradas para obter a melhor qualidade de imagem
• Ponto de contato único para toda manutenção e suporte técnico

A Teledyne FLIR pode ajudar os clientes a determinar qual é a solução certa para aplicação deles a partir das opções prontas para uso existentes ou, dada a interface comum Neutrino SWaP Series, as soluções semipersonalizadas podem ser projetadas e integradas mais rapidamente e a um custo menor do que uma solução personalizada. Isso permite que os integradores trabalhem com um fornecedor para soluções que incluem detectores de infravermelho, mecanismos de resfriamento, lentes de zoom, eletrônicos de câmeras/lente e embalagens.

Figura 3. Portfólio do Neutrino IS Series da Teledyne FLIR (julho de 2022)

Impacto de entrada no mercado

Com acesso a um amplo portfólio de soluções prontas para uso disponíveis em potencialmente três a quatro meses, dependendo do prazo de entrega, os integradores podem economizar significativamente em tempo e custos de desenvolvimento. Enquanto isso, soluções semipersonalizadas, que normalmente exigem aproximadamente 18 meses, podem ser adquiridas dentro de seis a nove meses. Em comparação, para programas de aquisição com soluções personalizadas, os desenvolvedores devem planejar de 24 a 30 meses, desde a definição dos requisitos até a qualificação final. É importante observar que essas soluções personalizadas podem ser simplificadas significativamente especificando requisitos em níveis de montagem mais altos, como aqueles comumente disponíveis para sistemas de câmera de luz visível comercial. Trabalhar com um único provedor de soluções verticalmente integradas resultará em um ciclo de projeto mais curto, processo de aquisição simplificado e maior capacidade de criar soluções confiáveis.

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Figura 4. Comparação de requisitos, desenvolvimento, integração e qualificação para soluções personalizadas, semipersonalizadas e prontas para uso