Как выбрать FPV-объектив для слабого освещения: F1.0 против IR

На раннем этапе поиска оборудования для промышленных дронов следующего поколения, оборонных БПЛА или высокоскоростных систем FPV (вид от первого лица) мне задают один и тот же вопрос как минимум три раза в неделю:«Следует ли нам использовать объектив с большой апертурой F1.0 для полноцветной системы Blacklight или придерживаться традиционной установки инфракрасного (ИК) освещения?»

Грубо говоря, всякий раз, когда кто-то представляет это как простой бинарный выбор, я не могу не вздыхать.

Будучи инженером-оптиком вШанхай Шелковый ОптическийМоя повседневная реальность состоит из борьбы с показателями преломления, сбора долей процента на кривых MTF и балансирования суровых законов физики с ограниченными производственными бюджетами.. Я вижу, что слишком много продуктовых линеек терпят неудачу во время быстрых полевых испытаний, потому что команда по закупкам проглотила стандартный крючок, леску и грузило..

«F1.0 — это будущее», — говорят они вам.Или «ИК дешев и неразрушим».

Не покупайтесь на шумиху. Оптический дизайн — это непреклонная игра физических компромиссов.. Давайте отвлечемся от маркетинговых PPT и разберемся, что на самом деле происходит с вашим конвейером обработки изображений FPV, когда вы выбираете один из них.

1. F1.0 «Черный свет» Полноцветный: Фотонный монстр (и его скрытый налог)

Вся суть активной полноцветной технологии при слабом освещении зависит отДиафрагма F1.0. Если вы не фанат оптики, вот краткая математика: число F — это отношение фокусного расстояния объектива к диаметру его входного зрачка.. Каждый раз, когда вы опускаете диафрагму, вы удваиваете количество света, попадающего на датчик.. Переход со стандартного объектива F2.0 на F1.0 означает, что вы отказываетесь отв четыре раза больше светана ваши CMOS-пиксели.

В реальном использовании FPV — скажем, автономного инспекционного дрона, перемещающегося по тускло освещенному складу, или ночного поисково-спасательного БПЛА — это означает, что вам не нужны навязчивые, энергоемкие, ослепляющие белые светодиодные блики для съемки высококонтрастного видео.. Для бортовых моделей искусственного интеллекта, которые используют цветовые данные для классификации объектов (например, определения цвета опасного трубопроводного клапана или одежды цели), F1.0 является впечатляющим..

Но вот в чем загвоздка, о которой вам не расскажут поставщики-любители: широко открытые диафрагмы вносят абсолютный хаос в оптические аберрации.. Когда вы открываете диафрагму до значения F1.0, лучи света падают на внешние края элементов объектива под невероятно крутыми углами.. Это вызывает две серьезные проблемы для FPV:

• Невероятно малая глубина резкости (DoF):Ваша погрешность снижается до миллиметров. Если корпус вашего механического объектива хоть немного прогибается из-за внутреннего нагрева двигателя или изменения температуры окружающей среды, ваша цель полностью потеряет фокус..

• Крах периферийного MTF:Сферическая аберрация и кома превратят углы вашего изображения с высоким разрешением в мутный, непригодный для использования суп.. Если ваш объектив не может поддерживать высокий MTF (функция передачи модуляции) по краям, ваш дорогой датчик 4 МП или 5 МП фактически ведет себя как датчик 1,3 МП..

Чтобы противодействовать этому, мы не можем просто использовать дешевое готовое сферическое стекло.. Мы должны проектировать вокругЭлементы ASP (асферическая линза)заставить эти блуждающие краевые лучи вернуться в одну фокусную точку.

На самом деле, позвольте мне перефразировать: речь идет не только об использовании асферических форм; дело в выборе материала. Если вы купите для дрона дешевый полностью пластиковый объектив F1.0, онволявыйти из строя в тот момент, когда температура окружающей среды колеблется или бортовая электроника нагревается.

Именно поэтому мы создали наш флагманОбъектив Blacklight PL100. Это сваренный вкрутуюF1.0, 4 мм, оптический монстр с поддержкой 4 МП/5 МПпостроен явно вокруг продвинутогоСтруктура 7Е(цельностеклянная/гибридная архитектура). Благодаря использованию стеклянных элементов премиум-класса, помещенных в специальные термостойкие корпуса, PL100 обеспечивает активную термокомпенсацию.. Независимо от того, борется ли ваша платформа FPV с ледяными ветрами на большой высоте или поглощает тепло от плат передачи высокой мощности (от -20°С до +70°С), плоскость фокусировки остается идеально зафиксированной.

2. Инфракрасное (ИК) ночное видение: экономичная рабочая лошадка (с ловушкой длины волны)

По другую сторону забора находится традиционная ИК-подсветка (обычно в сочетании с активными ИК-светодиодами с длиной волны 850 или 940 нм).. Объективы этой категории — например, наши оптимизированные по объемуPL071 6G Серия цельностеклянных изделий— невероятно зрелые, очень стабильные и исключительно дружелюбные к вашему бюджету на закупки..

Основное преимущество ИК-системы — бескомпромиссный, резкий контраст.. В условиях абсолютного нулевого уровня освещенности, таких как неосвещенные подземные туннели или глухие лесные периметры, где нет окружающего освещения, ИК превращает мир в четкую, высококонтрастную черно-белую карту.. Он устраняет путаницу в цветах, предоставляя алгоритмам искусственного интеллекта и системам визуальной навигации SLAM (одновременная локализация и картографирование) четкие границы для отслеживания..

Однако в настройках ИК поджидает тихий убийца:Сдвиг фокуса.

Вот распространенный, глубоко разочаровывающий сценарий для команд исследований и разработок: ваши инженеры в течение дня калибруют систему технического зрения дрона в лаборатории.Это выглядит невероятно остро. Наступает ночь, дрон взлетает, включаются активные ИК-осветители, и вдруг прямая трансляция выглядит так, будто кто-то намазал линзу жиром..

Не вините в этом алгоритмы шумоподавления датчика. Это фундаментальная физика.Видимый свет (400–700 нм) и инфракрасный свет (850/940 нм) распространяются с разной скоростью через одну и ту же стеклянную среду, поскольку показатель преломления меняется в зависимости от длины волны.. Если элементы вашего объектива намеренно не оптимизированы дляIR-кофокусфокальная плоскость для видимого света и фокальная плоскость для ИК-излучения будут располагаться на двух совершенно разных глубинах за линзой..

Чтобы обойти это кошмарное отставание, мы интегрируемСтеклянные элементы ED (сверхнизкой дисперсии)и нанесите специализированные широкополосные покрытия, чтобы обе длины волн фокусировались на одной и той же плоскости микронного уровня на датчике.. Кроме того, если вы летите на высоких скоростях к поверхности с высокой отражающей способностью (например, к металлическому знаку или белому зданию), ИК-установки печально известны локальным переэкспонированием («белым светом»).. Без интегрированногосинее стеклоили специализированную фильтрацию для подавления ореолов и вторичных отражений, ваш навигационный ИИ будет испытывать серьезные задержки или явные галлюцинации..

3. Матрица выбора источника FPV: что подойдет вашему дрону?

Давайте пропустим корпоративную чепуху и составим конкретный инженерный контрольный список для вашего следующего аудита оборудования.:

Вы приобрели линзу Blacklight PL100 F1.0, если:

• Данные о цвете не подлежат обсуждению:Вашему дрону необходимо идентифицировать определенные цвета проводов, маркеры опасности, структурную ржавчину или поисково-спасательные средства при свете звезд.

• Активная эмиссия является обязательством:Вы создаете платформы скрытого наблюдения, тактические БПЛА или дроны для наблюдения за дикой природой, где яркие инфракрасные лучи или белые прожекторы неприемлемы.

• Высокоскоростная обработка ИИ:Ваш бортовой компьютер не может позволить себе тратить циклы графического процессора/процессора на программные фильтры повышения резкости или шумоподавления на грязном канале при слабом освещении.. Вам нужны высококачественные «чистые» фотоны прямо из широко открытой апертуры..

• Наша рекомендация: The PL100 (F1.0, 4 мм, M12). Каждая единица подвергается строгой автоматизированной проверке.Активное выравнивание (АА-тестирование)в нашем производственном парке, чтобы гарантировать, что наклон и угол главного луча (CRA) идеально совпадают с высококачественными датчиками 4MP/5MP перед тем, как они покинут заводскую линию.

Выбирайте объектив с ИК-оптимизацией (например, PL071), если:

• Операции в условиях абсолютного нулевого люкса:Ваш FPV-дрон работает в неосвещенных шахтах, заброшенных зданиях или глубоко подземной инфраструктуре, где буквально нет фононов, которые можно было бы усилить..

• Строгие бюджетные ограничения на закупки:Проект представляет собой масштабное и экономичное развертывание парка складских AGV или базовых дронов по периметру, которым требуется только базовое обнаружение геометрических границ и обход препятствий..

• Чисто геометрический SLAM/Картографирование:Ваши алгоритмы локализации заботятся только об обнаружении высококонтрастных краев и пространственных характеристиках, делая информацию о цвете несущественной..

Заключительные мысли из лаборатории

В прецизионной оптике нельзя получить что-то просто так.Если вам нужна массивная полезная нагрузка объектива F1.0 при слабом освещении, вы должны инвестировать в структурную температурную компенсацию и асферические профили стекла, чтобы предотвратить тепловой дрейф и размытие углов.. Если вы выберете экономически эффективный путь IR, вы должны убедиться, что ваш поставщик обеспечивает настоящую совместную IR-фокусировку для предотвращения ночной слепоты..

В Shanghai Silk Optical мы производим более 6 миллионов линз в месяц.. Мы не занимаемся общими рекламными предложениями; мы занимаемся кривыми MTF и физической надежностью. Если вы устали угадывать свои оптические допуски и хотите обсудить реальные характеристики оборудования для вашего следующего дрона, системы безопасности или системы медицинского зрения, свяжитесь с нами. Давайте создадим что-то, что действительно будет работать, когда гаснет свет.