Objectifs d'Imagerie pour UAV

Table des matières

• Les exigences uniques de l'imagerie par drone
• Brève histoire de l'imagerie par drone
• Objectifs UAV renforcés pour environnements difficiles
• Objectifs pour imagerie par drone d’Edmund Optics^®

La vision industrielle ne se limite plus aux usines automatisées. Les véhicules autonomes, les équipements agricoles, les drones et autres robots poussent les objectifs d'imagerie à haute résolution dans de nouveaux environnements, dont beaucoup ont des exigences très différentes de celles des environnements de vision industrielle traditionnels. Par exemple, l'imagerie haute résolution des véhicules aériens sans pilote (UAV), également appelée « imagerie par drone », devient de plus en plus populaire pour la cartographie et l'arpentage, l'inspection agricole, la photogrammétrie, etc.

Les objectifs destinés à l'imagerie par drone sont exposés à des conditions de pression, de température, de chocs et de vibrations très différentes de celles des applications standard de vision industrielle. Ni les objectifs de vision industrielle conventionnels, ni les petits objectifs bon marché utilisés pour les drones grand public ne sont adaptés aux applications exigeantes des drones à voilure fixe et d'autres systèmes robotiques plus performants. Les Objectifs à Distance Focale Fixe Série UAV d'Edmund Optics^® ont été développés pour permettre ces nouvelles applications UAV de haute performance.

Les exigences uniques de l'imagerie par drone

Les systèmes d'imagerie sont essentiels au bon positionnement, au guidage et à la collecte de données des drones. De nombreuses applications utilisent la vision industrielle pour les drones pour prendre des images de vastes zones de terrain afin d'évaluer l'environnement et d'obtenir divers types de données utiles.

Photogrammétrie

Par exemple, la photogrammétrie combine des images 2D qui se chevauchent pour cartographier des zones 3D. La distance de l'échantillon au sol (GSD), l'altitude à laquelle la photogrammétrie aérienne est effectuée, est liée à la fréquence de Nyquist, ou à la meilleure résolution spatiale possible, du système d'imagerie et des objets imagés.¹ Par conséquent, un système d'imagerie à haute résolution permet au drone de prendre de l'altitude, ce qui se traduit par un champ de vision plus large et un nombre moins important de photos à prendre. La technologie actuelle des drones militaires leur permet de voler jusqu'à 50 000 pieds ou 15,2 km, ce qui présente de nombreux défis pour leurs systèmes d'imagerie.² La température et la pression peuvent également varier entre ~30˚C et -50˚C et 100 kPa et ~20 kPa, respectivement, à ces hautes altitudes (Figure 2).

Ces conditions difficiles peuvent entraîner le décentrage et le déplacement des éléments de l'assemblage de l'objectif, ce qui nuit à la résolution/précision et fait du système d'imagerie le facteur limitant des performances du système. Il est particulièrement important pour la photogrammétrie de trouver des moyens d'améliorer les capacités d'imagerie des systèmes de vision artificielle afin de continuer à faire progresser les capacités de ces systèmes.

L’imagerie multi- et hyperspectrale

Une autre application importante dans le domaine de l'imagerie par drone est l'imagerie multi- et hyperspectrale des cultures pour l'agriculture et l'étude de l'environnement. L'imagerie multispectrale consiste à enregistrer des données dans plusieurs bandes de longueurs d'onde distinctes, tandis que l'imagerie hyperspectrale consiste à enregistrer des données sur une seule grande plage continue de longueurs d'onde.

Les mêmes principes de la distance de l’échantillon au sol discutés pour la photogrammétrie s'appliquent à ces applications, mais l'imagerie multi- et hyperspectrale a également une dépendance importante à la longueur d'onde, ce qui complique encore les défis auxquels sont confrontés les composants optiques d'imagerie. Les concepteurs optiques doivent désormais trouver un équilibre entre le travail sur une très large gamme de longueurs d'onde, la résistance à l'environnement et le maintien d'une haute résolution. La résolution spectrale d'un système est la plus petite taille des bandes d'ondes que le système peut distinguer. L'imagerie multispectrale a une résolution spectrale plus faible que l'imagerie hyperspectrale, mais elle est plus facile à concevoir et généralement moins coûteuse. La méthode exacte d'imagerie spectrale nécessaire varie selon les situations. De nombreux types de végétation présentent des propriétés très différentes à certaines longueurs d'onde en dehors du spectre visible.

Applications supplémentaires

Dans les applications militaires, les drones sont de plus en plus utilisés pour les leurres, les missions générales de combat et la surveillance. Dans l'espace commercial, les drones transforment les secours en cas de catastrophe, l'archéologie et l'exploitation minière en utilisant des concepts similaires à ceux de la photogrammétrie et de l'imagerie environnementale pour réduire le temps et la main-d'œuvre.

Brève histoire de l'imagerie par drone

Lors de l'introduction des systèmes de vision industrielle pour l'automatisation des usines, les objectifs à monture C provenant du domaine de la sécurité ont été réaffectés. Les applications de drones et de robots mobiles autonomes (AMR) utilisent désormais des objectifs provenant du domaine de l'automatisation industrielle, mais ces objectifs ne sont pas idéaux pour ces systèmes robotiques.

Les application d’imagerie par drone atteignent des résolutions de plus en plus élevées grâce à de nouveaux capteurs d’image haute résolution tels que les capteurs Sony Pregius 1,2" IMX530 et IMX540 de quatrième génération. Les objectifs de monture C utilisés dans les systèmes d'automatisation d'usine sont trop grands, trop lourds et trop sensibles à la dégradation des performances pour être efficaces en raison des environnements difficiles auxquels les drones sont soumis. D'autre part, les petits objectifs compacts souvent utilisés dans les drones commerciaux ne peuvent pas atteindre des résolutions suffisamment élevées pour tirer pleinement parti de ces nouveaux capteurs, ce qui fait que le passage à ces capteurs est un gaspillage.

Normalement, les objectifs doivent augmenter en taille, en poids et en complexité pour s'adapter à des résolutions plus élevées, mais les Objectifs Série UAV conservent une taille compacte tout en atteignant une résolution de 24,6 mégapixels sur des capteurs de 2,74 µm de taille de pixel. Ces objectifs sont décrits plus en détail dans la section ci-dessous sur les Objectifs pour imagerie par drone d'Edmund Optics^®.

Objectifs UAV renforcés pour environnements difficiles

Comme nous l'avons déjà mentionné, l'altitude et la vitesse auxquelles les drones opèrent créent un environnement difficile qui affecte les performances d'un objectif. Les changements de température entraînent des modifications de la taille physique des objets à un taux qui dépend de leur coefficient de dilatation thermique (CTE), et le verre et le métal se dilatent et se contractent à des niveaux différents en raison de leurs CTE distincts (Figure 5).

La disparité des CTE entre le verre et le métal dans un assemblage d'imagerie introduit le risque que les éléments de l'objectif se déplacent, s'inclinent ou se désalignent de manière générale, voire se fissurent lorsqu'ils sont chauffés ou refroidis. Tous ces effets réduisent les performances de l'imagerie. L'indice de réfraction de l’objectif varie également en fonction de la température, mais les effets de ce phénomène ont moins d'impact sur les performances du système que la modification de la taille physique due à la dilatation thermique. Le but est alors de réduire le décalage des éléments de l'assemblage de l’objectif et de réduire la sensibilité de l’objectif au désalignement.

La conception d’un assemblage de l’objectif qui permet aux autres éléments de compenser ces changements lorsqu'ils se dilatent et se contractent empêche le désalignement des éléments individuels dû aux effets thermiques (Figure 6). Ce type de conception athermique est plus rigoureux et prend plus de temps, mais il permet de maintenir des performances constantes dans une plage de températures donnée.

Les variations de la pression liées aux changements d'altitude doivent également être prises en compte lors de la conception d'objectifs pour les applications UAV. Lors de la conception optique, l'air à l'intérieur et à l'extérieur de l’objectif doit être modélisé avec précision à différentes valeurs de pression dans un logiciel de simulation afin de prévoir les effets sur l’objectif et de créer une conception finale capable de tolérer ces variations de pression.

En raison des accélérations rapides subies par les drones, les assemblages peuvent également devoir être renforcés pour maintenir la stabilité du pointage en cas de chocs et de vibrations, ce qui signifie qu'un point sur l'objet imagé correspondra toujours au même point sur le capteur de la caméra. Cette robustesse est obtenue en rationalisant l'optomécanique, en réduisant le nombre de pièces mobiles et en introduisant de la colle autour des éléments individuels de l’objectif afin d'éviter qu'ils ne se déplacent dans le barillet de l’objectif et ne provoquent un désalignement.

Enfin, une protection contre les infiltrations peut être nécessaire pour empêcher les particules et l'humidité de pénétrer dans l’objectif. La poussière et l'eau réduisent les performances de l'objectif car la lumière qui frappe ces particules est redirigée de manière imprévisible. Ce problème peut être atténué en scellant les éléments à l'intérieur du barillet de l’objectif du monde extérieur à l'aide de joints toriques ou en purgeant l'air à l'intérieur d'un objectif pendant l'assemblage et en le remplaçant par un gaz inerte (Figure 7). Cette purge élimine les particules à l'intérieur de l’objectif et empêche les particules extérieures d'atteindre l'intérieur.

Cette protection contre les infiltrations permet également d'éviter la condensation sur les lentilles. Lorsque l'humidité est présente dans l'assemblage, les particules d'eau peuvent très facilement adhérer à la lentille, redirigeant ainsi les rayons lumineux qui l'atteignent. Cela réduit fortement les performances du système et constitue un problème majeur pour les applications d'imagerie à basse température, comme celles rencontrées à haute altitude. Comme le montre la Figure 7, cette condensation peut être encore atténuée par une fenêtre hydrophobe à l'avant de l'assemblage.

Objectifs pour imagerie par drone d’Edmund Optics^®

Les Objectifs à Distance Focale Fixe Série UAV conçus et fabriqués par Edmund Optics^® sont des objectifs compacts, légers et à haute résolution conçus pour être utilisés sur des véhicules autonomes et des drones. Ces objectifs à conjugaison infinie sont athermiques pour de larges plages de températures et stabilisés pour maintenir les performances malgré les chocs et les vibrations, ce qui les rend idéaux pour les applications de cartographie et d'arpentage par drone, d'imagerie aérienne et de photogrammétrie.

Les objectifs de la série UAV conservent une taille compacte tout en atteignant une résolution de 24,6 mégapixels sur des capteurs de 2,74 µm, optimisés pour une utilisation avec des capteurs d'image haute résolution tels que les capteurs Sony Pregius 1,2" IMX530 et IMX540 de 4ème génération.

La mécanique des objectifs a été rationalisée pour les rendre plus légères et plus mobiles sans sacrifier les performances. Les environnements difficiles auxquels les drones et autres systèmes robotiques sont exposés exigent également que les assemblages d'objectifs soient renforcés pour résister aux variations de température, aux chocs et aux vibrations. Cette caractéristique est absente dans d’autres solutions disponibles. Les objectifs de la série UAV sont si robustes qu'ils peuvent être utilisés dans des environnements aussi extrêmes que les applications spatiales.

Les bagues de mise au point et de diaphragme à verrouillage des objectifs série UAV empêchent les ajustements intempestifs en cours d'utilisation. Ces objectifs sont également optimisés pour les distances de travail plus longues, car les robots mobiles regardent souvent des objets plus éloignés que ceux qui se trouvent sur un site de production. Un soin particulier a également été apporté à la réduction de la lumière parasite dans les assemblages des objectifs, ce qui est essentiel car les conditions rencontrées dans les environnements robotiques sont beaucoup moins contrôlées que celles d'une usine.

Si le nombre de pièces nécessaires est plus important, le design optique peut être davantage stabilisé et scellé contre les influences extérieures, sur demande.

Plus de ressources

• Renforcement de la stabilité des objectifs d’imagerie
• Guide Ressources en Imagerie
• Comment fabrique-t-on un objectif d'imagerie chez EO ?
• Enregistrement du webinaire : Chauds et froids – Objectifs renforcés par athermalisation

Références

1. Wawrzyn, D. (2023, August 3). What is Ground Sample Distance and How Does it Affect Your Drone Data? Propeller. https://www.propelleraero.com/blog/ground-sample-distance-gsd-calculate-drone-data/
2. Leslie, J. (2023). How High Can a Drone Fly? Drone Survey Services. https://dronesurveyservices.com/can-you-fly-a-drone-in-a-public-park-in-the-uk/
3. Miller, C. (2021, April 15). Human Responses to High Altitude. Pressbooks. https://humanbiology.pressbooks.tru.ca/chapter/8-8-human-responses-to-high-altitude/
4. Mihalcea, G. (2023). Why are binoculars filled with nitrogen gas? Expert Binoculars. https://expertbinoculars.com/why-are-binoculars-filled-with-nitrogen-gas/