Особенности оптической системы при использовании технологии 3D печати Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 681.7

ОСОБЕННОСТИ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ТЕХНОЛОГИИ 3D ПЕЧАТИ

Марина Петровна Егоренко

Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, ст. преподаватель кафедры фотоники и приборостроения, тел. (383)343-91-11, e-mail: e_m_p@mail.ru

Виктор Сергеевич Ефремов

Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры фотоники и приборостроения, тел. (383)343-91-11, e-mail: ews49@mail.ru

Рассчитана оптическая система, работающая в ультрафиолетовом и визуальном диапазонах спектра для получения комбинированного изображения, используя два спектральных диапазона одновременно. Особенностью системы является конструкция оптических поверхностей, учитывающихиспользование технологий 3D печати.

Ключевые слова: ультрафиолетовый и визуальный диапазоны спектра, комбинированное изображение, двухспектральная оптическая система, решение задач наблюдения и разведки, асферические поверхности, технологии 3D печати.

FEATURES OF THE OPTICAL SYSTEM USING 3D PRINTING TECHNOLOGY

Marina P. Egorenko

Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, Ph. D., Senior Lecturer, Department of Photonics and Device Engineering, phone: (383)343-91-11,e-mail: e_m_p@mail.ru

Viktor S. Efremov

Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, Ph. D., Associate Professor, Department of Photonics and Device Engineering, phone: (383)343-91-11, e-mail: ews49@mail

The optical system operating in the ultraviolet and visual spectral range zones to obtain a combined image is calculated using two spectral bands simultaneously. A special feature of the system is the design of optical surfaces, taking into account the use of 3D printing technologies.

Key words: ultraviolet and visible ranges of the spectrum, combined image, dvuhsistemnaya optical system, the tasks of surveillance and reconnaissance, aspherical surfaces of 3D printing technology.

Беспилотные летательные аппараты (БПЛА) используются для решения самых разных задач в интересах военных и гражданских пользователей - для оперативного проведения аэрофотосъемки, радиовещания, поисково-спасательных работ, разведки и наблюдения, поддержания правопорядка и т. д. БПЛА отличаются большим разнообразием, их конструкция и размеры зависят от задач, для которых они предназначаются [1].

В последнее время повысился интерес к разработке сверхлегких беспилотных летательных аппаратов для решения задач наблюдения и разведки. Они комплектуются штатными видеокамерами для навигации полета.

Широкоугольные объективы, как правило, имеют небольшое фокусное расстояние, примерно 4 ^ 8 мм. Для идентификации объекта наблюдения требуется оптическая система с большим фокусным расстоянием и относительным отверстием.

Масса сверхлегких беспилотных летательных аппаратов не превышает 50 ^ 100 г. Исходя из этого, масса оптических систем не должна превышать более 1/4 массы всего БПЛА, т. е. быть не более 10-20 гг.

Таким образом, к оптической системе наблюдения и идентификации объектива предъявляются жесткие массогабаритные требования.

Следовательно, для изготовления оптических деталей необходимо выбирать оптические материалы с наименьшей плотностью [2].

Расчет оптической системы планируется из полистирола (ПС) - это один из легких полимеров (плотность - от 0,902 до 1,04 г/см3). Он прозрачен в ультрафиолетовом, видимом и ближнем инфракрасном диапазонах спектра. Его показатель преломления 1,59 - 1,60 мкм [3, 4].

Для расчета в ППП «7ешах» была выбрана многоспектральная зеркально-линзовая оптическая система (МЗЛО), выполненная из одного оптического материала, содержащая отражающие компоненты в виде линз Манжена и компенсаторы с положительной оптической силой в параллельном ходе лучей. В этом случае происходит частичная взаимная компенсация хроматических аберраций между компонентами. Для более полной компенсации аберраций в схему объектива после системы зеркал вводится дополнительный компенсатор из того же оптического материала (рис. 1) [5].

Рис. 1. Двухспектральная зеркально-линзовая система:

1 - положительная линза, выполненная в виде мениска; 2 - отрицательный мениск (зеркало Манжена); 3 - зеркало с наружным отражением, совмещенное со второй поверхностью положительной линзы 1; 4 - компенсатор аберраций, выполненный расклеенным из отрицательной линзы, являющейся центральной частью отрицательного мениска 2; 5 - линза Пиацци-Смита

1

Предлагаемая оптическая система выполнена по патенту [6], теория расчета приведена в работах [7, 8]. Эта оптическая система позволяет получить изображение одного участка объекта в едином масштабе, но в разных спектральных диапазонах. Дальнейшая электронная обработка изображений позволит получить комбинированное изображение ультрафиолетового и визуального диапазонов спектра.

Традиционная технология изготовления оптических деталей из полистирола - литье под давлением. Наиболее технологичное изготовление литьевой формы для оптических поверхностей - сфера [2].

Если применить асферизацию оптических поверхностей, то можно увеличить число коррекционных параметров, используя их для повышения оптических параметров, например, угла поля зрения или относительного отверстия.

Наиболее перспективной технологией для этого может быть технология 3D печати. Кстати, единственным материалом оптического качества в этой технологии является полистирол [9, 10].

Исходя из технологических возможностей различных способов 3D печати, обеспечивать точность формирования поверхностей (табл. 1), был определен наиболее перспективный из них - SLA для изготовления рассчитываемой оптической системы [11].

Таблица 1

Выбор способа изготовления оптических элементов

Способ 3D печати Максимальная точность изготовления моделей, мкм Вывод

MJM 16 Наиболее точный метод (есть ограничения)

SLA 25-50 Подходит для изготовления оптических деталей

SLS 50-100 Подходит для изготовления оптических деталей

LOM 100 В данном способе материалом служит бумага

3DP 100 Ограниченное количество материалов

FDM >200 Низкая точность получаемых поверхностей

При разработке оптической системы в нее заранее были заложены асферические поверхности второго порядка для изготовления методом 3Б печати. Согласно схемному решению лучи проходят через некоторые поверхности несколько раз (табл. 2).

Таблица 2

Некоторые конструктивные параметры асферических поверхностей

Поверхность Радиус поверхности, мм Материал Эксцентриситет

3, 5, 7 -27,06 полистирол -16,62

4,8 -62,36 полистирол -59,46

9 3,46 полистирол 0,56

10 5,76 полистирол -295,89

Концентрация энергии в пикселе ФПУ размером 6 х 6 мкм для ультрафиолетового и визуального диапазонов спектра (^Х, = 0,365-0,656 мкм), а также для ближнего инфракрасного диапазона спектра = 0,589-0,900 мкм) приведены на рис. 2.

1, и

9

а

0.00 PEG 6,30 DEC

7,10 DEC 0.00 DEE

0 , 000

1 , 500

RADIUS FROM 0ENTRDID IN Aim.

3 , 000

а)

7, 10 DEE

0,00 DEG 10,00 DEG

,30 DEE

1 ,0 - II 1 '_1_

п ,9 IY ty 8 -

ш

□ ш и А О ' 6 -

Z ' 5 /

ш Li. ' 4

D ' 3

□ н , 2 / -

Ё ,1 IY - / -

^ ,0 1 1 1 1 1 1 1

0,000 1,500 3,000

RRDILIS FROM 0ENTROID IN /im

б)

Рис. 2. Графики концентрации энергии в пикселе 6 х 6 мкм: а) диапазон спектра 0,365 - 0,656 мкм; б) диапазон спектра 0,589- 0,900 мкм

Рассчитанная система имеет следующие характеристики: / = 10 мм, О//' = 1:1,43, угол поля зрения 20°, размер пиксела матрицы 6 х 6 мкм.

Таким образом, в результате компьютерного моделирования показана принципиальная возможность разработки единой оптической системы для ультрафиолетового, визуального и ближнего инфракрасного диапазонов спектра из полистирола для технологии 3Б печати.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Rutforce T0902 2.4G Flying Frog FPV RC Racing Drone [Электронный ресурс]: www.rcmoment.com>prm 9286.html

2. Bäumer Stefan. Handbook of Plastic Optics. - Weinheim : WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2005. - 189 p.

3. Серова В. Н. Оптические и другие материалы на основе прозрачных полимеров : монография. - Казань : КГТУ, 2010. - 540 с.

4. Wakaki Moriaki, Kudo Keiei, Thibuya Takehisa. Physical Properties and Data of Optical Materials : e-book. - CRC Press, 2007. - 576 p.

5. Егоренко М. П. Двухспектральная оптическая система для нанодронов // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2015. XI Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «СибОптика-2015» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 13-25 апреля 2015 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2015. Т. 2. - С. 95-97.

6. Егоренко М. П., Ефремов В. С. Пат. № 98072 Российской Федерации на полезную модель МПК^02В 17/00. Двухспектральная зеркально-линзовая система; заявитель и патентообладатель Сибирская государственная геодезическая академия. - № 2010108755/22(012273); заявл. 09.03.10; опубл.27.09.10.

7. Егоренко М. П. Расчет хроматизма увеличения многоспектрального зеркально-линзового объектива // Изв. вузов. Приборостроение. - 2007. - Т. 50, № 2. - С. 65-69.

8. Егоренко М. П., Ефремов В. С. Хроматические свойства зеркала Манжена в нескольких диапазонах спектра // Изв. вузов. Приборостроение. - 2009. - Т. 52. - № 6. -С. 53-58.

9. 3D-печатные оптические линзы на принтере Form 1 [Электронный ресурс]: 3Dtoday.ru> industry.. .pechatnye.. .linzy.. .printere-form- 1.html

10. Технологии 3D-печати [Электронный ресурс]: http://www.ixbt.com/printer/3d/ 3d_tech.shtml.

11. Катков И. А., Егоренко М. П. Анализ свойств оптических материалов для многодиапазонных объективов видеокамер нанодронов // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2016. XII Междунар. науч. конгр. : Магистерская научная сессия «Первые шаги в науке» : сб. материалов (Новосибирск, 18-22 апреля 2016 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2016. - C. 3-7.

© М. П. Егоренко, В. С. Ефремов, 2018