F1.0 vs IR: który obiektyw wygrywa w nocnych lotach FPV?

Na wczesnym etapie poszukiwania sprzętu dla dronów przemysłowych nowej generacji, UAV obronnych lub szybkich systemów FPV (widok z perspektywy pierwszej osoby) co najmniej trzy razy w tygodniu otrzymuję to samo pytanie:„Czy powinniśmy zaopatrzyć się w obiektyw o dużej aperturze F1.0 do pełnokolorowego systemu „Blacklight”, czy też pozostać przy tradycyjnej konfiguracji oświetlenia w podczerwieni (IR)?”

Mówiąc szczerze, ilekroć ktoś przedstawia to jako prosty, binarny wybór, nie mogę powstrzymać się od westchnienia.

Jako inżynier optyk wSzanghajska jedwabna optyka, moja codzienna rzeczywistość składa się z walki ze współczynnikami załamania światła, szukania ułamków procenta na krzywych MTF i równoważenia surowych praw fizyki z napiętymi budżetami produkcyjnymi. Widzę, że zdecydowanie zbyt wiele linii produktów zawodzi podczas testów terenowych z dużą prędkością, ponieważ zespół zaopatrzeniowy połknął typowy hak, żyłkę i ciężarek przeznaczony do sprzedaży.

„F1.0 to przyszłość” – mówią.Lub „IR jest tani i niezniszczalny”.

Nie dawaj się nabrać na ten szum. Projektowanie optyczne to nieustępliwa gra polegająca na kompromisach fizycznych.Spójrzmy poza marketingowe PPT i przeanalizujmy, co faktycznie dzieje się z potokiem obrazowania FPV, gdy wybierzesz jeden lub drugi.

1. F1.0 „Blacklight” w pełnym kolorze: fotonowy potwór (i jego ukryty podatek)

Całe założenie aktywnej technologii pełnokolorowej przy słabym oświetleniu opiera się naPrzysłona F1.0. Jeśli nie jesteś maniakiem optyki, oto krótka matematyka: liczba F to stosunek ogniskowej obiektywu do średnicy źrenicy wejściowej. Za każdym razem, gdy upuścisz ogranicznik F, podwajasz ilość światła docierającego do czujnika.Przejście ze standardowego obiektywu F2.0 na F1.0 oznacza porzuceniecztery razy więcej światłana piksele CMOS.

W rzeczywistych zastosowaniach FPV – np. autonomicznym dronie inspekcyjnym poruszającym się po słabo oświetlonym magazynie, UAV do nocnych działań poszukiwawczo-ratowniczych lub podczas nocnych lotów z dużą prędkością – oznacza to, że nie potrzebujesz natrętnych, energochłonnych, oślepiających białych diod LED lub układów silnego oświetlenia podczerwonego, aby przechwytywać wideo o wysokim kontraście. W przypadku pokładowych modeli sztucznej inteligencji, które klasyfikują obiekty na podstawie danych chromatycznych (np. identyfikują kolor niebezpiecznego zaworu rurowego lub ubrania celu), F1.0 jest spektakularne.

Ale tutaj jest haczyk, o którym nie powiedzą dostawcy-amatorzy: szeroko otwarte przysłony wprowadzają absolutny chaos do aberracji optycznych. Po otwarciu przysłony na wartość F1.0 promienie światła uderzają w zewnętrzne krawędzie elementów obiektywu pod niewiarygodnie ostrymi kątami. Powoduje to dwa ogromne problemy dla FPV:

• Niezwykle cienka głębia ostrości (DoF):Twój margines błędu spada do milimetrów.Jeśli mechaniczna obudowa obiektywu ugina się choćby nieznacznie pod wpływem ciepła wewnętrznego silnika lub zmian temperatury otoczenia, cel staje się całkowicie nieostry.

• Upadek peryferyjnych MTF:Aberracja sferyczna i koma zamienią rogi zdjęcia w wysokiej rozdzielczości w błotnistą, bezużyteczną zupę.Jeśli Twój obiektyw nie jest w stanie utrzymać wysokiego współczynnika MTF (funkcji przenoszenia modulacji) na krawędziach, oznacza to, że kosztowny sensor faktycznie zachowuje się jak przestarzały sygnał analogowy.

Aby temu przeciwdziałać, nie możemy po prostu zastosować taniego, gotowego szkła sferycznego. Musimy projektować dookołaElementy ASP (soczewki asferyczne).aby zmusić te nieuczciwe promienie krawędziowe z powrotem do jednego punktu ogniskowego.

Właściwie, pozwólcie, że ujmę to inaczej – nie chodzi tylko o użycie kształtów asferycznych; chodzi o wybór materiału.Jeśli kupisz tani, całkowicie plastikowy obiektyw F1.0 do drona, tobędziezawodzi w momencie, gdy temperatura otoczenia ulega wahaniom lub nagrzewa się elektronika lotu.

Właśnie dlatego zbudowaliśmy nasz okręt flagowyObiektyw Blacklight PL100. Jest to potrawa na twardoOptyczny potwór z przysłoną F1.0, 4 mm i rozdzielczością 5 MPzbudowany wyraźnie wokół zaawansowanegoStruktura 7E(architektura całkowicie szklana/hybrydowa). Wykorzystując wysokiej jakości elementy szklane umieszczone w niestandardowych, odpornych na temperaturę beczkach, PL100 osiąga aktywną kompensację termiczną. Niezależnie od tego, czy Twoja platforma FPV walczy z marznącymi wiatrami na dużych wysokościach, czy pochłania ciepło z płyt transmisyjnych o dużej mocy (-20°C do +70°C), płaszczyzna ostrości pozostaje idealnie zablokowana.

2. Noktowizor na podczerwień (IR): ekonomiczny koń pociągowy (z pułapką długości fali)

Po drugiej stronie płotu mamy tradycyjne oświetlenie IR. Soczewki w tej kategorii są niezwykle dojrzałe, bardzo stabilne i wyjątkowo przyjazne dla Twojego budżetu zakupowego.

Główną zaletą systemu IR jest bezkompromisowy, wyraźny kontrast w środowiskach o absolutnym zerowym luksie. Tam, gdzie nie ma światła otoczenia – na przykład w nieoświetlonych podziemnych tunelach lub na obrzeżach głębokich lasów – podczerwień zamienia świat w ostrą, czarno-białą mapę o wysokim kontraście. Eliminuje pomieszanie kolorów, zapewniając najnowocześniejsze algorytmy AI i systemy nawigacji wizualnej SLAM (jednoczesna lokalizacja i mapowanie) wyraźne granice do śledzenia.

Jednak w konfiguracjach IR czeka cichy zabójca:Przesunięcie ostrości.

Oto typowy, głęboko frustrujący scenariusz dla zespołów badawczo-rozwojowych: Twoi inżynierowie kalibrują system wizyjny drona w laboratorium w ciągu dnia. Wygląda niesamowicie ostro. Zapada noc, dron startuje, włączają się aktywne oświetlacze podczerwieni i nagle obraz na żywo wygląda, jakby ktoś posmarował obiektyw smarem.

Nie obwiniaj algorytmów redukcji szumów czujnika. To podstawowa fizyka. Światło widzialne (400–700 nm) i światło podczerwone (850 nm/940 nm) przemieszczają się z różnymi prędkościami w tym samym ośrodku szklanym, ponieważ współczynnik załamania światła zmienia się w zależności od długości fali. Jeśli elementy obiektywu nie zostały celowo zoptymalizowane pod kątemWspółostrość w podczerwieni, płaszczyzna ogniskowa dla światła widzialnego i płaszczyzna ogniskowa dla światła podczerwonego znajdą się na dwóch zupełnie różnych głębokościach za obiektywem.

Aby ominąć to koszmarne opóźnienie, zintegrowano wysokiej klasy optykęElementy ze szkła ED (o bardzo niskiej dyspersji).i zastosować specjalistyczne powłoki szerokopasmowe, tak aby obie długości fal skupiały się na dokładnie tej samej płaszczyźnie mikrona na czujniku. Co więcej, jeśli lecisz z dużą prędkością w kierunku silnie odblaskowej powierzchni, konfiguracje podczerwieni są znane z miejscowego prześwietlenia („zaciemnienia”). Bez zintegrowanego filtrowania tłumiącego zjawy i odbicia wtórne, sztuczna inteligencja nawigacji doświadczy poważnych opóźnień lub wręcz halucynacji.

3. Matryca decyzyjna dotycząca pozyskiwania FPV: który pasuje do Twojego drona?

Pomińmy korporacyjny bełkot i sporządźmy konkretną listę kontrolną inżynierii na potrzeby następnego audytu sprzętu:

Kup obiektyw Blacklight PL100 F1.0, jeśli:

• Dane dotyczące koloru nie podlegają negocjacjom:Twój dron musi rozpoznać określone kolory przewodów, znaczniki zagrożenia, rdzę strukturalną lub wyposażenie celu poszukiwawczo-ratowniczego w świetle gwiazd.

• Aktywna emisja jest obowiązkiem:Budujesz ukryte platformy obserwacyjne, taktyczne UAV lub nocne drony patrolowe, gdzie jasne wiązki podczerwieni są niedopuszczalne.

• Szybkie przetwarzanie brzegowe AI:Twój komputer pokładowy nie może sobie pozwolić na marnowanie cykli GPU/NPU, uruchamiając programowe filtry wyostrzające lub usuwające szumy w błotnistym, słabo oświetlonym kanale. Potrzebujesz „czystych” fotonów o wysokiej wierności prosto z szeroko otwartej apertury.

• Nasze specyfikacje:ThePL100 (F1,0, 4,0 mm, M12). Każda jednostka przechodzi rygorystyczną automatyzacjęAktywne wyrównanie (testowanie AA)w naszym parku produkcyjnym, aby zapewnić, że nachylenie i główny kąt promienia (CRA) będą idealnie dopasowane do wysokiej klasy architektur czujników przed opuszczeniem linii produkcyjnej.

Trzymaj się obiektywu zoptymalizowanego pod kątem podczerwieni, jeśli:

• Operacje z całkowitym zerowym luksem:Twój dron FPV działa w nieoświetlonych kopalniach, opuszczonych budynkach lub głęboko podziemnej infrastrukturze, gdzie dosłownie nie ma żadnych fotonów otoczenia do wzmocnienia.

• Surowe ograniczenia budżetowe zakupów:Projekt polega na masowym, niedrogim rozmieszczeniu floty podstawowych dronów obwodowych, które wymagają jedynie podstawowego wykrywania granic geometrycznych.

• Czysty geometryczny SLAM / mapowanie:Algorytmy lokalizacji skupiają się wyłącznie na wykrywaniu krawędzi o wysokim kontraście i cechach przestrzennych, przez co informacje o kolorze stają się nieistotne.

Końcowe przemyślenia z laboratorium

W optyce precyzyjnej nie dostaje się czegoś za darmo.Jeśli chcesz mieć ogromną ładowność obiektywu F1.0 przy słabym oświetleniu, musisz zainwestować w strukturalną kompensację temperatury i wysokiej jakości profile szklane, aby zapobiec dryftowi termicznemu i rozmyciu rogów. Jeśli wybierzesz opłacalną drogę podczerwieni, musisz upewnić się, że twój dostawca zapewni prawdziwe współogniskowanie w podczerwieni, aby zapobiec ślepocie w nocy.

W Shanghai Silk Optical nie zajmujemy się sprzedażą ogólnych ofert; zajmujemy się krzywymi MTF i niezawodnością fizyczną. Jeśli masz dość zgadywania swoich tolerancji optycznych i chcesz porozmawiać o prawdziwych specyfikacjach sprzętowych dla Twojego następnego drona, kamery FPV lub układu wizyjnego bezpieczeństwa, skontaktuj się z nami. Zbudujmy coś, co faktycznie będzie działać, gdy zgasną światła.