Светосильные объективы для беспилотных летательных аппаратов

В настоящее время проявляется повышенный интерес к беспилотным летательным аппаратам (БЛА), что объясняется успешным опытом их применения в России и за рубежом (например, в Ираке и Афганистане), а также сообщениями об интенсификации работ над новыми, в том числе боевыми, беспилотниками за рубежом. Использование БЛА играет огромную роль в разведке, боевом применении, а также в воздушном мониторинге окружающей среды, технологических комплексов и средств коммуникации. Тепловизионные модули для БЛА используются для обнаружения замаскированных объектов, проведения всепогодной воздушной разведки и наблюдения за объектами в сложных метеоусловиях, когда аппаратура, работающая в видимой области спектра, недостаточно эффективна (ночь, туман).

При разработке оптических систем для малогабаритных БЛА огромное значение приобретают массогабаритные характеристики, при этом оптические системы должны обеспечивать высокое качество изображения. Поэтому одной из основных задач, решаемых в процессе разработки оптических систем объективов для БЛА, является задача получения необходимых рабочих характеристик при минимальных массогабаритных параметрах.

В Новосибирском филиале ИФП СО РАН «КТИПМ» разработаны и изготовлены светосильные объективы для использования в составе малоразмерных БЛА. Оптические системы объективов формируют изображение в плоскости матричного фотоприемного устройства (МФПУ). В качестве фотоприёмного устройства применена неохлаждаемая болометрическая матрица, имеющая размер

фоточувствительного поля 5,6×4,2 мм (160×120 элементов) и шаг между элементами 35 мкм. Оптические схемы светосильных объективов представлены на рис. 1.

б) объектив с полем зрения 40°×30°

Рис. 1. Оптические схемы светосильных объективов для БЛА:

1-3 – объектив; 4 – входное окно МФПУ; 5 – плоскость фоточувствительных элементов матричного ФПУ

Оптические схемы объективов включают три линзовых компонента, представляющих собой мениски, выполненные из германия и селенида цинка. Все линзовые компоненты объективов имеют сферические поверхности. В таблице 1 приведены основные характеристики разработанных объективов.

Таблица 1. Оптотехнические и габаритные характеристики объективов

фокусное расстояние, мм	10,4	8,2
относительное отверстие	1:1	1:1
угловое поле зрения (2 ω '), градусов	30 0 ×22,72 0	40 0 ×30 0
спектральный диапазон работы, мкм	8-12	8-12
длина, мм	27	22
масса, г	10	7

Качество изображения разработанных светосильных объективов оценивается с помощью параметров кружка рассеяния, модуляционной передаточной функции и функции концентрации энергии. Параметры модуляционной передаточной функции, параметры кружка рассеяния и функции концентрации энергии представленных систем в сравнении с дифракционно-ограниченной системой приведены в таблицах 2 и 3, а также показаны на рис. 2-7.

Таблица 2. Модуляционная передаточная функция объектива с полем зрения 30x22,72

Пространств. частота v, мм -1	Точка на оси ( ю '=0°)	Точка в зоне ( ю '=10,60 0 х8,0 0 )	Точка на краю ( ® '=15 0 х11,36 0 )	Дифракционноограниченная система
10	0,86	0,85	0,82	0,87
20	0,72	0,68	0,61	0,74
30	0,58	0,51	0,40	0,62
40	0,46	0,36	0,24	0,49
50	0,35	0,24	0,14	0,38

Таблица 3. Модуляционная передаточная функция объектива с полем зрения 40°x30°

Пространств. частота v, -1 мм	Точка на оси ( ® '=0°)	Точка в зоне ( ю '=14,14 0 х10,6 0 )	Точка на краю ( ® '=20 ° х15 ° )	Дифракционноограниченная система
10	0,86	0,82	0,78	0,86
20	0,71	0,62	0,52	0,73
30	0,57	0,43	0,30	0,60
40	0,45	0,27	0,16	0,47
50	0,33	0,16	0,09	0,35

Рис. 2. Частотно-контрастная характеристика объектива с полем зрения 30 ⁰ ×22,72 ⁰

Рис. 3. Частотно-контрастная характеристика объектива с полем зрения объектива с полем зрения 40°×30°

Рис. 4. Пятно рассеяния точки объектива с полем зрения 30°*22,72°

ШИ 8.«8. 8.8№ IM                                    Ml 3.MB, 1 .ЧВ6 Ill

ЕЛ З.М. 15, № EG

SPOT DIAGRAM

LEWS НЯ5 ND TITLE.

UNITS FfE ^,

FEI SH3 3 И31Й

FI BU :

RHS RPODJS : GED GRODE : HIRT Dim ;

8.БВ2 26.011

2.779

1.116

25.74

11.789

2b. ESI

FEFEFBJEE : CHIEF FHT

Рис. 5. Пятно рассеяния точки объектива с полем зрения 40°*30°

Рис. 6. Функция концентрации энергии объектива с полем зрения 30°*22,72°

Рис. 7. Функция концентрации энергии объектива с полем зрения 40°×30°

Из приведенных выше оценочных данных качества разработанных светосильных объективов видно, что они обладают хорошим качеством изображения. На рис. 2-3 приведены ЧКХ объективов с полями зрения 30°×22,72° и 40°×30°. По оси ординат указаны коэффициенты передачи контраста в относительных единицах, по оси абсцисс – пространственные частоты в диапазоне от 0 до 50 мм ^-1 , отнесенные к плоскости изображения оптической системы. Верхние кривые на графиках, приведенных на рис. 2-3, соответствуют дифракционным ЧКХ (обозначение «Diff. limit»), а остальные кривые – для различных углов полей зрения ω ' (0×0; 10,60×8,0 и 15×11,36 град – для объектива с полем зрения 30×22,72 и 0×0; 14,14×10,60 и 20×15 град – для объектива с полем зрения 40°×30°) для меридионального (обозначение «T») и сагиттального сечений (обозначение «S»). Из приведенных графиков следует, что для пространственной частоты 30 мм ^-1 коэффициенты передачи контраста для объективов с полями зрения 30°×22,72° и 40°×30° соответственно не падают ниже 0,40 (рис. 2), и 0,30 (рис. 3), что подтверждает хорошее качество изображения, даваемое представленными объективами.

Геометрический радиус кружка рассеяния точки не превышает величину 4,8 мкм в центре поля зрения и 18 мкм на краю поля зрения для объектива с полем зрения 30°×22,72° (рис. 4), а для объектива с полем зрения 40°×30° – не превышает значений 4,2 мкм и 27 мкм соответственно (рис. 5). На рис. 6-7 приведены ФКЭ объективов с полями зрения 30°×22,72° и 40°×30°. По оси ординат указаны значения ФКЭ в относительных единицах, по оси абсцисс – значения радиуса пятна рассеяния, для которого рассчитаны ФКЭ. Верхние кривые на графиках, приведенных на рис. 6-7, соответствуют дифракционным ФКЭ, остальные кривые – для различных углов полей зрения. Так, для объектива с полем зрения 30°×22,72° значения ФКЭ в пятне радиусом 0,0175 мм для углов полей зрения ω', равными 0×0; 10,60×8,0 и 15×11,36 град, составляют соответственно 0,87; 0,87 и 0,85, т.е. близки к соответствующему значению ФКЭ в безаберрационной системе, равному 0,88. Для объектива с полем зрения 40°×30° значения ФКЭ в пятне радиусом 0,0175 мм для углов полей зрения ω', равными 0×0; 14,14×10,60 и 20×15 град, составляют соответственно 0,88; 0,86 и 0,80, т.е. также имеют близкие величины к соответствующему значению ФКЭ в безаберрационной системе, равному 0,88, что также подтверждает хорошее качество изображения, даваемое светосильными объективами, приемлемое для работы с современными матричными инфракрасными приемниками излучения.

Выводы: современный уровень развития беспилотных систем требует создания высококачественных миниатюрных оптикоэлектронных компонентов. Разработанные светосильные объективы в полной мере отвечают поставленным требованиям, т.к. обладают минимальными массогабаритными характеристиками, а также имеют разрешающую способность, позволяющую использовать их в составе малоразмерных беспилотных летательных аппаратов для обеспечения воздушной всепогодной разведки и наблюдения за объектами в сложных метеоусловиях, а также для обнаружения замаскированных объектов.