Анализ свойств оптических материалов для многодиапазонных объективов видеокамер нанодронов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 681.7

АНАЛИЗ СВОЙСТВ ОПТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

ДЛЯ МНОГОДИАПАЗОННЫХ ОБЪЕКТИВОВ ВИДЕОКАМЕР НАНОДРОНОВ

Иван Александрович Катков

Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, студент (магистрант) гр. ОМВ-1, кафедра наносистем и опто-техники, тел. (383)343-91-11, e-mail: [email protected]

Марина Петровна Егоренко

Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, старший преподаватель кафедры наносистем и оптотехники, тел. (383)343-91-11, e-mail: [email protected]

Проведен анализ оптических и физических свойств материалов для многодиапазонной зеркально-линзовой системы видеокамеры нанодронов. Исходя из результатов был выбран материал для дальнейших расчетов оптической схемы.

Ключевые слова: нанодрон, многодиапазонная система, объектив видеокамеры, оптический материал, оптические свойства, решение задач наблюдения.

ANALYSIS OF PROPERTIES OF OPTICAL MATERIALS FOR MULTIPLE CAMERA LENS NANODRONES

Ivan A. Katkov

Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., Student (undergraduate) gr. OMW-1, Department of Nanosystems and Optics Engineering, tel. (383)343-91-11, e-mail: [email protected].

Marina P. Egorenko

Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., Senior lecturer, Department of Nanosystems and Optics Engineering, tel. (383)343-91-11, e-mail: [email protected]

The analysis of the legal and physical properties of materials for a multi-band mirror-lens system nanodrones camcorder. Based on the results of the material has been selected for further calculations of the optical circuit.

Key words: nanodron, multi-band system, video camera lens, optical material, the optical properties, the tasks of observation.

В последнее время беспилотные летательные аппараты (БПЛА), т.е. дроны являются перспективным направлением развития современных оптико-электронных приборов. Дроны могут использоваться для выполнения различных задач потенциально опасных или же сложных для человека.

Нанодроны - маленькие, иногда миниатюрные, летательные устройства, обладают огромными возможностями. Их уже сейчас используют для аэрофотосъёмки местности, отслеживания пробок, наблюдения за порядком на улицах, а также в военных целях. На рис. 1 приведен пример нанодрона PD-100 Black Hornet [1].

Рис. 1. Нанодрон PD-100 Black Hornet

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. [2]. Для выполнения военных задач, нанодрон должен удовлетворять ряду свойств, таких как:

- небольшой размер и вес, т.е. иметь малые массогабаритные характеристики;

- иметь миниатюрные видеокамеры для осуществления фото- и видеосъемки, и навигации в различное время суток;

- возможность работы с одним или двумя приемниками излучениями.

Из данного перечня следует, что масса нанодрона является одной из основных характеристик. Исходя из этого, для проектирования и создания нанод-рона, необходимо выбирать материалы с наименьшим удельным весом, для снижения массы оптических деталей видеокамеры.

Создание многодиапазонного объектива для нанодрона является актуальным направлением развития, так как аналогов не существует, либо они являются засекреченными. Наиболее из известных нанодронов, PD-100 Black Hornet, оснащен поворотной камерой с функцией фото- и видеосъемки, которая работает только в видимом диапазоне волн, что ограничивает его эксплуатационные возможности. Для того чтобы, расширить возможности разведки, желательно оснастить нанодрон многодиапазонным объективом для видеокамеры, которая может быть установлена на БПЛА. Для разработки сверхлегкой многодиапазонной оптической системы, выполненной из одного оптического материала, было проведено исследование оптических и физических свойств материалов.

Ввиду большой плотности, а, следовательно, и удельного веса силикатные, оксидные, кварцевые и другие неорганические стекла как вариант для создания оптической схемы, не рассматривались.

Выбор пал на следующие разновидности оптических материалов:

- полиметилметакрилат (ПММА) - продукт радикальной полимеризации ММА - аморфный полимер линейной структуры, относящийся к термопластам;

- полистирол (ПС) - сополимер стирола и бутадиенового или других специальных каучуков;

- поликарбонат (ПК) - сложные полиэфиры угольной кислоты и двухатомных фенолов;

- силоксаны (силиконы) - представляют собой класс кремниевых соединений, не имеющих себе подобных среди соединений углерода;

- полиметилпентен (ПМП) - кристаллизующийся материал с высокой прозрачностью.

В таблице приведены численные значения оптических и физических свойств материалов [3-6].

Таблица

Свойства оптических материалов

Свойства ПММА ПС ПК Силоксан ПМП

Коэффициент дисперсии - V 57,8 30,8 30,3 42,3 -80

Показатель преломления - п 1,49 1,59 1,58 1,13 1,46

Плотность - q, г/см3 1,19 1,15 1,18 1,19 0,83

Коэффициент светопропускания в видимой области спектра (при толщине 1 мм) - т, % 92 90 86 92 94

Максимальная температура эксплуатации - °С 80 40 120 200 120

Диапазон температур эксплуатации, °С от -60 до +70 град от -60 до +40 от-75 до +120 от -60 до +200 от -20 до +120

На рис. 2-6 приведено сравнение представленных оптических материалов по их физико-химическим параметрам.

V

90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

Рис. 2. Коэффициент дисперсии оптических материалов

80 ♦

57,8 ♦

30,8 30,3 ♦ ♦ 42,3

ПММА ПС ПК Силоксан ПМП

ПММА ПС ПК Силоксан ПМП

п

Рис. 3. Показатель преломления оптических материалов

q, г/см3 1,35

1,25 1,19 1 1с 1,18 1,19

1,15 ^ ♦ ♦ ^

1,05 0,95 0,85 0,75

0,83 ♦

ПММА ПС ПК Силоксан ПМП

Рис. 4. Плотность оптических материалов

т

100 95 90 85 80 75

Рис. 5. Коэффициент светопропускания оптических материалов

92 90 92 94 ♦

86

♦

♦

ПММА ПС ПК Силоксан ПМП

tmax,

250 200 150 100 50 0

Рис. 6. Максимальная температура эксплуатации

Из представленных графиков можно сделать вывод, что полиметилпентен обладает самым наименьшим удельным весом и имеет наиболее приемлемые свойства, как физические, так и оптические.

Таким образом, для расчета многоканальной оптической системы, работающей в двух и более спектральных диапазонах, может использоваться оптический материал полиметилпентен, который позволит минимизировать массо-габаритные характеристики системы.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. PD-100 BlackHornet - разведывательный нанодрон [Электронный ресурс]: <http://itc.ua/blogs/pd-100-black-homet-razvedyivatelnyiy-nano-dron/>.

2. Егоренко М. П. Двухспектральная оптическая система для нанодронов // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2015. XI Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Сиб0птика-2015» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 13-25 апреля 2015 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2015. Т. 2. -С. 95-97.

3. Воронкова Е. М., Гречушников Б.Н., Дистлер Г.И. Оптические материалы для инфракрасной техники. Справочное издание. - М.: Наука, 1965. - 346 с.

4. Ефремов В. С., Шлишевский В. Б. Оптические материалы и ахроматическая коррекция типовых компонентов оптических систем: учеб. пособие. - Новосибирск: СГГА, 2013. -284 с.

5. Серова В.Н. Оптические и другие материалы на основе прозрачных полимеров: монография. Федеральное агентство по образованию, Казан.гос. технол. ун-т. - Казань: КГТУ, 2010. - 540 с.

6. Moriaki Wakaki, Keiei Kudo, Takehisa Thibuya. Physical Properties and Data of Optical Materials [Электронная книга]: CRC Press, 2007. - 576 с.

© И. А. Катков, М. П. Егоренко, 2016

°C

200 ♦

80 ♦ 40 ♦ -120 ♦ -120 ♦

ПММА ПС ПК Силоксан ПМП