Cách chọn ống kính FPV ánh sáng yếu: F1.0 so với IR

Trong giai đoạn tìm kiếm phần cứng ban đầu cho máy bay không người lái công nghiệp, máy bay không người lái phòng thủ hoặc hệ thống FPV (Chế độ xem góc nhìn thứ nhất) tốc độ cao thế hệ tiếp theo, tôi gặp phải câu hỏi tương tự ít nhất ba lần một tuần:"Chúng ta nên tìm một ống kính khẩu độ lớn F1.0 cho hệ thống đủ màu 'Đèn đen' hay sử dụng thiết lập chiếu sáng Hồng ngoại (IR) truyền thống?"

Thành thật mà nói, bất cứ khi nào ai đó coi đây là một lựa chọn nhị phân đơn giản, tôi không thể không thở dài.

Là một kỹ sư quang học tạiQuang lụa Thượng Hải, thực tế hàng ngày của tôi bao gồm việc đấu tranh với các chỉ số khúc xạ, tìm kiếm các phần trăm trên đường cong MTF và cân bằng các định luật vật lý khắc nghiệt với ngân sách sản xuất eo hẹp. Tôi thấy có quá nhiều dòng sản phẩm thất bại trong quá trình thử nghiệm tại hiện trường tốc độ cao vì nhóm mua sắm đã nuốt phải móc, dây chuyền và tàu chìm bán hàng chung chung.

Họ nói với bạn rằng "F1.0 là tương lai".Hoặc "IR rẻ và không thể phá hủy."

Đừng tin vào sự cường điệu. Thiết kế quang học là một trò chơi kiên quyết của sự đánh đổi vật lý. Chúng ta hãy xem qua các PPT tiếp thị và chia nhỏ những gì thực sự xảy ra với quy trình hình ảnh FPV của bạn khi bạn chọn cái này thay vì cái kia.

1. Full Color "Blacklight" F1.0: Quái vật Photon (Và thuế ẩn của nó)

Toàn bộ tiền đề của công nghệ đủ màu sắc, ánh sáng yếu chủ động phụ thuộc vàoKhẩu độ F1.0. Nếu bạn không phải là người đam mê quang học thì đây là phép tính nhanh: số F là tỷ lệ giữa tiêu cự của thấu kính và đường kính đồng tử vào của nó. Mỗi khi bạn thả F-stop, bạn sẽ nhân đôi lượng ánh sáng tới cảm biến. Chuyển từ ống kính F2.0 tiêu chuẩn sang F1.0 có nghĩa là bạn đang bỏ điánh sáng gấp bốn lầnlên các pixel CMOS của bạn.

Trong triển khai FPV trong thế giới thực—giả sử, một máy bay không người lái kiểm tra tự động điều hướng một nhà kho thiếu ánh sáng hoặc một máy bay không người lái tìm kiếm và cứu hộ vào ban đêm—điều này có nghĩa là bạn không cần ánh sáng LED trắng chói mắt, ngốn điện, xâm nhập để quay video có độ tương phản cao. Đối với các mô hình AI tích hợp phụ thuộc vào dữ liệu màu sắc để phân loại vật thể (như xác định màu của van ống nguy hiểm hoặc quần áo của mục tiêu), F1.0 thật ngoạn mục.

Nhưng đây là điểm đáng chú ý mà các nhà cung cấp nghiệp dư sẽ không cho bạn biết: khẩu độ mở rộng gây ra quang sai hoàn toàn hỗn loạn. Khi bạn mở mống mắt lên F1.0, các tia sáng sẽ chiếu vào các cạnh ngoài của thấu kính ở những góc cực kỳ dốc. Điều này gây ra hai vấn đề lớn cho FPV:

• Độ sâu trường mỏng như dao cạo (DoF):Biên độ sai sót của bạn giảm xuống đến milimét. Nếu vỏ ống kính cơ học của bạn bị uốn cong dù chỉ một chút do nhiệt độ động cơ bên trong hoặc nhiệt độ môi trường thay đổi, mục tiêu của bạn sẽ hoàn toàn mất nét.

• Sự sụp đổ MTF ngoại vi:Quang sai hình cầu và coma sẽ biến các góc của hình ảnh có độ phân giải cao của bạn thành một thứ súp lầy lội, không thể sử dụng được. Nếu ống kính của bạn không thể duy trì MTF (Chức năng truyền điều chế) cao ở các cạnh thì cảm biến 4MP hoặc 5MP đắt tiền của bạn hoạt động hiệu quả giống như cảm biến 1,3MP.

Để chống lại điều này, chúng ta không thể chỉ sử dụng kính hình cầu rẻ tiền, có sẵn. Chúng ta phải thiết kế xung quanhPhần tử ASP (Ống kính phi cầu)để buộc các tia cạnh giả mạo đó quay trở lại một tiêu điểm duy nhất.

Thực ra, hãy để tôi diễn đạt lại điều đó—không chỉ là sử dụng các hình cầu; đó là về sự lựa chọn vật liệu. Nếu bạn mua một ống kính F1.0 hoàn toàn bằng nhựa, giá rẻ cho máy bay không người lái, nó sẽsẽhỏng hóc vào thời điểm nhiệt độ môi trường xung quanh dao động hoặc thiết bị điện tử trên máy bay nóng lên.

Đây chính xác là lý do tại sao chúng tôi chế tạo chiếc hạm của mìnhỐng kính đèn đen PL100. Đó là một món luộc chínQuái vật quang học sẵn sàng F1.0, 4mm, 4MP/5MPđược xây dựng rõ ràng xung quanh một nâng caoCấu trúc 7E(kiến trúc toàn kính/hỗn hợp). Bằng cách sử dụng các thành phần thủy tinh cao cấp được đặt trong thùng chịu nhiệt tùy chỉnh, PL100 đạt được khả năng bù nhiệt chủ động. Cho dù nền tảng FPV của bạn đang chống lại những cơn gió ở độ cao đóng băng hay hấp thụ nhiệt từ các bảng truyền tải công suất cao (-20°C đến +70°C), mặt phẳng tiêu điểm vẫn được khóa hoàn hảo.

2. Tầm nhìn ban đêm hồng ngoại (IR): Công cụ hiệu quả về mặt chi phí (Có bẫy bước sóng)

Ở phía bên kia hàng rào, chúng tôi có hệ thống chiếu sáng hồng ngoại truyền thống (thường được ghép nối với đèn LED hồng ngoại hoạt động 850nm hoặc 940nm). Các ống kính trong danh mục này—chẳng hạn như ống kính được tối ưu hóa âm lượng của chúng tôiDòng sản phẩm toàn kính PL071 6G—rất trưởng thành, có tính ổn định cao và đặc biệt thân thiện với ngân sách mua sắm của bạn.

Ưu điểm chính của hệ thống IR là tính tương phản rõ ràng, kiên quyết. Trong môi trường không lux tuyệt đối—chẳng hạn như đường hầm dưới lòng đất không có ánh sáng hoặc chu vi rừng sâu nơi không có ánh sáng xung quanh—IR biến thế giới thành một bản đồ đen trắng sắc nét, có độ tương phản cao. Nó loại bỏ sự nhầm lẫn về màu sắc, mang lại các thuật toán AI tiên tiến và hệ thống điều hướng trực quan SLAM (Bản đồ hóa và Bản đồ đồng thời) có ranh giới rõ ràng để theo dõi.

Tuy nhiên, có một kẻ giết người thầm lặng đang chờ đợi trong quá trình thiết lập IR:Dịch chuyển tiêu điểm.

Đây là một tình huống phổ biến, gây khó chịu sâu sắc cho các nhóm R&D: Các kỹ sư của bạn hiệu chỉnh hệ thống thị giác của máy bay không người lái trong phòng thí nghiệm vào ban ngày.Nó trông cực kỳ sắc nét. Màn đêm buông xuống, máy bay không người lái cất cánh, đèn chiếu sáng hồng ngoại đang hoạt động và đột nhiên nguồn cấp dữ liệu trực tiếp trông giống như ai đó bôi mỡ lên ống kính.

Đừng đổ lỗi cho thuật toán giảm nhiễu của cảm biến. Đó là vật lý cơ bản.Ánh sáng khả kiến ​​(400–700nm) và ánh sáng hồng ngoại (850nm/940nm) truyền đi với tốc độ khác nhau trong cùng một môi trường thủy tinh vì chiết suất thay đổi tùy theo bước sóng. Nếu các thành phần thấu kính của bạn không được tối ưu hóa một cách có chủ ý choIR đồng tiêu điểm, mặt phẳng tiêu điểm cho ánh sáng khả kiến ​​và mặt phẳng tiêu điểm cho ánh sáng hồng ngoại sẽ nằm ở hai độ sâu hoàn toàn khác nhau phía sau thấu kính.

Để vượt qua độ trễ ác mộng này, chúng tôi tích hợpThành phần kính ED (Tán sắc cực thấp)và áp dụng lớp phủ băng thông rộng chuyên dụng để cả hai bước sóng tập trung vào cùng một mặt phẳng cấp micron trên cảm biến. Hơn nữa, nếu bạn đang bay ở tốc độ cao hướng tới một bề mặt có độ phản chiếu cao (như bảng hiệu kim loại hoặc tòa nhà màu trắng), thiết lập IR nổi tiếng là phơi sáng quá mức cục bộ ("trắng sáng"). Không tích hợpKính xanhhoặc bộ lọc chuyên dụng để triệt tiêu bóng ma và phản xạ thứ cấp, AI điều hướng của bạn sẽ gặp phải độ trễ nghiêm trọng hoặc ảo giác hoàn toàn.

3. Ma trận quyết định tìm nguồn cung ứng FPV: Cái nào phù hợp với máy bay không người lái của bạn?

Hãy bỏ qua những chuyện vụn vặt của công ty và đặt ra một danh sách kiểm tra kỹ thuật cụ thể cho lần kiểm tra phần cứng tiếp theo của bạn:

Đã mua Ống kính đèn đen PL100 F1.0 nếu:

• Dữ liệu màu không thể thương lượng:Máy bay không người lái của bạn cần xác định màu dây cụ thể, điểm đánh dấu nguy hiểm, rỉ sét cấu trúc hoặc trang phục mục tiêu tìm kiếm và cứu hộ dưới ánh sao.

• Phát thải tích cực là một trách nhiệm pháp lý:Bạn đang xây dựng các nền tảng giám sát tàng hình, máy bay không người lái chiến thuật hoặc máy bay không người lái giám sát động vật hoang dã nơi không chấp nhận được tia hồng ngoại sáng hoặc đèn chiếu sáng trắng.

• Xử lý AI biên tốc độ cao:Máy tính tích hợp của bạn không thể lãng phí chu trình GPU/NPU chạy các bộ lọc làm sắc nét hoặc khử nhiễu bằng phần mềm trên nguồn cấp dữ liệu thiếu ánh sáng lầy lội. Bạn cần các photon "sạch" có độ trung thực cao ngay từ khẩu độ mở rộng.

• Khuyến nghị của chúng tôi:cácPL100 (F1.0, 4mm, M12). Mỗi đơn vị đều trải qua quá trình tự động hóa nghiêm ngặtCăn chỉnh chủ động (Thử nghiệm AA)tại khu vực sản xuất của chúng tôi để đảm bảo rằng độ nghiêng và Góc tia chính (CRA) hoàn toàn phù hợp với các cảm biến 4MP/5MP cao cấp trước khi rời khỏi dây chuyền nhà máy.

Sử dụng Ống kính được tối ưu hóa IR (như PL071) nếu:

• Hoạt động Zero-Lux tuyệt đối:Máy bay không người lái FPV của bạn hoạt động trong các mỏ không có ánh sáng, các tòa nhà bỏ hoang hoặc cơ sở hạ tầng sâu dưới lòng đất, nơi thực sự không có photon xung quanh nào để khuếch đại.

• Ràng buộc ngân sách mua sắm nghiêm ngặt:Dự án này là một đội tàu khổng lồ, có chi phí triển khai AGV trong kho hoặc máy bay không người lái theo chu vi cơ bản, chỉ yêu cầu phát hiện ranh giới hình học cơ bản và tránh chướng ngại vật.

• SLAM / Ánh xạ hình học thuần túy:Các thuật toán bản địa hóa của bạn chỉ quan tâm đến các tính năng không gian và phát hiện cạnh có độ tương phản cao, khiến thông tin màu sắc không liên quan.

Suy nghĩ cuối cùng từ phòng thí nghiệm

Trong quang học chính xác, bạn sẽ không nhận được thứ gì mà không có gì.Nếu muốn có tải trọng lớn trong điều kiện ánh sáng yếu của ống kính F1.0, bạn phải đầu tư vào khả năng bù nhiệt độ cấu trúc và cấu hình kính phi cầu để ngăn hiện tượng trôi nhiệt và mờ góc. Nếu bạn chọn lộ trình IR hiệu quả về mặt chi phí, bạn phải đảm bảo nhà cung cấp của bạn cung cấp tính năng Đồng tập trung IR thực sự để ngăn ngừa chứng quáng gà vào ban đêm.

Tại Shanghai Silk Optical, chúng tôi sản xuất hơn 6 triệu ống kính mỗi tháng. Chúng tôi không kinh doanh những chiêu trò bán hàng chung chung; chúng tôi giải quyết các đường cong MTF và độ tin cậy vật lý. Nếu bạn cảm thấy mệt mỏi khi phải đoán dung sai quang học của mình và muốn nói về các thông số kỹ thuật phần cứng thực sự cho máy bay không người lái, thiết bị bảo mật hoặc thiết bị tầm nhìn y tế tiếp theo của bạn, hãy liên hệ. Hãy xây dựng thứ gì đó thực sự hoạt động khi đèn tắt.