CC BY
151
ДВУХСПЕКТРАЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ ВИДЕОКАМЕРЫ МИКРО БПЛА
Альбина Сергеевна Курбангалиева
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Новосибирск, Плахотного, 10, магистрант кафедры Наносистем и оптотехники, тел. 343-22-11, е-mail: albina_zolotaya@mail.ru
В статье рассмотрены перспективы разработки двухспектральных объективов для микро беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Предложен вариант схемного решения и результаты расчета конкретного объектива.
Ключевые слова: двухспектральных объектив, микро БПЛА.
TWO-SPECTRAL LENS OF SMALL PILOTLESS FLYING MACHINE VIDEOCAMERA
Albina Sergeevna Kurbangalieva
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Novosibirsk, Plakhotnogo 10, undergraduate, Nanosystems and optical techniques department, phone 343-22-11, е-mail: albina_zolotaya@mail.ru
The prospects of two-spectral lenses development for the small pilotless flying machines are considered. The variant of circuit decision and results of concrete lens calculation are proposed.
Key words: two-spectral a lens, the small pilotless flying machine.
В настоящее время большое внимание уделяется беспилотным летательным аппаратам, выполняющим разведывательные и исследовательские задачи. Интерес к применению беспилотной техники в системе МВД постоянно возрастает. Это обусловлено, технологическими достижениями в области совершенствования БПЛА, что способствовало распространению данных аппаратов не только в военной деле, но и в гражданской правоохранительной деятельности [1].
В последние годы в разработке БПЛА наметилось новое направление. На ряду с обычными беспилотниками начата разработка микро БПЛА, масса которые не превышает одного килограмма.
Одной из главных проблем таких микро БПЛА является разработка легкой видеокамеры, значительную весовую часть которой составляет оптическая система. Поэтому при разработке такой оптической системы необходимо учитывать количество оптических деталей и плотность материала, из которого они будут изготовлены. Снижению массы видеокамеры будет способствовать многоспектральность оптической системы, т.е. способность работы в двух и более диапазонах спектра. Оптические системы работают нормально в пределах ограниченной области спектра. Линзовые оптические системы пропускают излучение в ограниченном диапазоне длин волн, причем хорошая хроматическая коррекция изображения возможна, только для части этого диапазона. Необходимо так же, чтобы объектив работал одновременно в двух
спектральных диапазонах, а именно: визуальный (0.48-0.76мкм) диапазон и тепловизионный (3-5 мкм).
В данной работе представлены результаты расчета объектива, предназначенного для работы в широкой области спектра от 0.48 до 5 мкм, содержащей визуальный (0.48 - 0.76мкм) и тепловизионный (3-5 мкм) диапазоны спектра.
Интерес к разработке таких систем заключается в том, что этот прибор предназначен для замены двух оптических систем одним многоспектральным устройством, выполненным из материала прозрачного в диапазоне спектра от 0.48 до 5 мкм. Это позволяет уменьшить весогабаритные характеристики и упростить юстировку, так как не требуется совмещения двух визирных каналов и применения, специальных контрольно-юстировочных приборов для тепловизионного диапазона спектра. Из этого следует, что разработка двухспектральных зеркально-линзовых объективов из одного материала и увеличение поля зрения является актуальной задачей.
Для формулирования требований к оптической системе видеокамеры микро БПЛА необходимо иметь данные по их полезной нагрузке.
Таблица 1. Некоторые характеристики известных микро БПЛА
Наименование Масса, кг Полезная нагрузка, кг Высота полета, м
«Инспектор-101» [2] 0,25 0,05; ТУ-камера переднего, либо планового обзора 25 - 500
«Иркут 2М» [3] 3 0,3; гиростабилизированная камера 100 - 300
Из табл.1 следует, что полезная нагрузка (видеокамера) микро БПЛА составляет примерно 1/5 - 1/10 массы всего БПЛА, т. е. 50 - 300 грамм, а масса оптической системы должна составлять 1/3 от массы полезной нагрузки.
Для разработки двухспектрального объектива микро БПЛА необходимо учитывать плотность материала оптических деталей, которая должна быть возможно более малой. Поэтому плотность, химическая и влагоустойчивость при выборе оптического материала имеет существенное значение.
В табл. 2 приведены некоторые оптические материалы (стекла, кристаллы и пластик), прозрачные в вышеуказанных диапазонах спектра с плотностью менее 3,5 г/см3.
Из табл. 2 видно, что наиболее подходящим материалом по физикохимическим свойствам, плотности и области пропускания для двухспектрального объектива видеокамеры микро-БПЛА является СаР2 .
Кроме того при расчете объектива необходимо учитывать параметры приемника оптического излучения: спектральный диапазон, размер пикселя и количество пикселей в матрице. В табл. 3 приведены параметры некоторых современных приемников излучения.
Таблица 2. Характеристики оптических материалов
Материал АХ, мкм Химическая устойчивость Влагоустойчивость г/100г воды Плотность, г/см3
БЮ2 кр 0,4-4,5 Кислота, щелочь Не раствор. 2,20
Бю2 пл 0,2-4,5 Кислота, щелочь Не раствор 2,20
КС1 0,21-30 Щелочь, спирт, глицерин 34,7 1,98
ШС1 0,21-26 Спирт, глицерин 35,7 2,17
КВг 0,23-40 глицерин 53,48 2,75
Ш 0,12-12 Кислота 0,27 2,64
СаБ2 0,13-12 Кислота 0,0016 3,18
М§Б2 0,11-7,5 Кислота 0,0076 3,18
Таблица 3. Некоторые параметры матричных приемников излучения
Наименование Спектр. диапазон, мкм Физич. размер, мм Размер пикселя, мкм Кол-во пикселей, млн
БЬагр Ю23У3ВА0ЬТ [4] 0,486-0,76 6.6х8.8 1,55 12,53
Силар ТУС 400 [5] 1,8-5,3 13,4х8,9 28х28 0,15
Іиріїег [5] 3-5 12,8х10,2 15х15 1,3
За исходный вариант примем объектив по схеме [6]. Расчет объектива проведем по оптической программе 7ЕМЛХ и проанализируем характеристики качества изображения.
На рис. 1-3 представлена оптическая схема и результаты расчета двухспектрального объектива.
Рис. 1.Оптическая схема объектива
0ВІ в.3000. 0 Є0М СЕС 08J; 1-5000. 0 0030 DEC
• © '
. --Ы
OBJ 2.5000, 0 eoea C6G ihh' і ,<іВа. а.евв rr ibjt 5.0060, о.вазо dec
,'j- ■ flі , ' ■'j' V ■ . , , : ;
№ 2 64. 0 000 И
SPOT DIAGRAM
LEHS HRS NO ТІПЕ.
TUE MRP 6 2012 UNITS FIRE fa.
FIELD : 12 3 4
RMS RADIUS : 2.690 Ч.ИЭ 9.8Є9 20.391
GEO RADIUS : 4.211 III61 25-688 54.457
BOX WIDTH : IB REFERENCE • CENTROID
а б
а - точечная диаграмма распределения энергии в аберрационном пятне. б - график концентрации энергии в аберрационном пятне
Рис. 2. Характеристики качества изображения объектива в визуальном
диапазоне спектра
OBJ: и.оаш, В 6008 DEC
OBJ: I.5B80. 0.8000 DEC
(m) /*4 <:;?НвФ * ’ \J
INfl: 0W0. ;B.0№ MM QBJ: I.HOB. В.Й0ВЭ DEC 11«: 1-613. -0.000 ни OBJ- Е.авга є.мер dec
v *•« іф°»! V’ : '" Nv
SPOT OIRGRflM
LENS HRS NO TITLE.
TUE HOP 6 2012 LIMITS WE pa.
FIELO : 12 3 4
RflS RADIUS • 2.B76 2.7ЧВ 6.Ч9В 11.022
CEO RADIUS ' 5.S3? 3.539 19.885 41.288
BOX MIDTH : IS REFEREUCE : CENTROID
а
б
а - точечная диаграмма распределения энергии в аберрационном пятне. б - график концентрации энергии в аберрационном пятне
Рис. 3. Характеристики качества изображения объектива в тепловизионном
диапазоне спектра 3 - 5 мкм
Результаты расчета позволяют сделать выводы:
- Качество изображения в тепловизионном диапазоне спектра хорошее и соответствует требованиям современных приемников излучения;
- Качество изображения в визуальном диапазоне спектра пока не достигает требованиям современных приемников излучения, особенно к краю поля зрения;
- Данная оптическая схема объектива может служить исходной для дальнейших разработок;
- Масса оптических деталей не превышает 90 граммов.
1. Техноком Групп. [Электронный ресурс]/ «БПЛА».-электронные данные. - М., 2011.- Режим доступа: http://www.tecnocom.ru/taxonomy/term/2
2. Авиационная энциклопедия Уголок Неба [электронные ресурсы]/ «Инспектор-
101».-Электронные данные.-М., 2009.- режим доступа:
http://www. airwar.ru/ enc/bpla/inspektor101 .html.
3. Беспилотные летательные аппараты.[Электронные ресурсы] / «БПЛА Иркут-2М».-электронные данные.-М., 2011.-Режим доступа: http://bp-la.ru/bpla-irkut-2m/
4. 3D News. [электронные ресурсы]/ «Новая 12-МП1/2,3 - дюймовая CCD матрица Sharp».-Электронные данные.-М., 2009.-Режим доступа:
http://www.3 dnews.ru/news/novaya_12_mp_1_2_3_duimovaya_ccd_matritsa_sharp
5. Digital Camera Info. [электронный ресурс]/ «Olympus E 620».-Электронные данные.-М., 2009.-Режим доступа: http://www.shutterbug.com/content/olympus
6. Лаптев Е.В. Разработка многоспектральной оптической системы с двумя зеркалами Манжена. [Текст]/ГЕО-Сибирь 2011. Т. 5. Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, нанотехнологии. Ч. 1 :сб. матер. VII Междунар. научн. конгресса «ГЕ0-Сибирь-2011», 19-29 апреля 2011 г., Новосибирск. - Новосибирск: СГГА, 2011. - с. 171-176.
© А.С. Курбангалиева, 2012
