Giải pháp thiết kế hệ quang vật kính cho đầu thu vùng hồng ngoại gần - Vũ Quốc Thủy

Vật lý V. Q. Thủy, M. N. Công, Đ. N. Hiệp, “Giải pháp thiết kế hệ quang hồng ngoại gần.” 154 GIẢI PHÁP THIẾT KẾ HỆ QUANG VẬT KÍNH CHO ĐẦU THU VÙNG HỒNG NGOẠI GẦN Vũ Quốc Thủy 1* , Mai Nguyệt Công1 , Đoàn Ngọc Hiệp2 Tóm tắt: Bài báo trình bày giải pháp thiết kế hệ quang vật kính thu dạng gương-thấu kính cho thiết bị hoạt động trong vùng hồng ngoại gần (SWIR). Dựa trên nguyên lý của hệ gương-thấu kính Caxigrin, hệ quang vật kính đã được thiết kế, tối ưu nhờ phần mềm Zemax với các thông số của vật liệu truyền thống sẵn có. Kết quả được đánh giá và thảo luận cho việc áp dụng để chế tạo hệ quang cho các hệ thống quang điện tử sử dụng đầu thu SWIR. Từ khóa: Camera, SWIR, Caxigrin, optoelectronics system, Zemax. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay các thiết bị quan sát ngày đêm được nghiên cứu phát triển mạnh mẽ và được ứng dụng nhiều trong quân đội các nước. Bằng chứng là rất nhiều các hệ quan sát sử dụng bộ biến đổi quang điện khuếch đại ánh sáng mờ (EOP), các khí tài ảnh nhiệt ảnh nhiệt vùng hồng ngoại xa (LWIR) làm việc trong dải phổ 8-12 µm, các khí tài ảnh nhiệt ảnh nhiệt vùng hồng ngoại trung bình (MWIR) làm việc trong dải phổ 3-5 µm, các hệ thống quang điện tử tích hợp đo xa laser... không ngừng được nghiên cứu và ứng dụng trong cũng như ngoài quan đội [1,2,3,4]. Trong những năm gần đây, các hệ thống quang điện tử làm việc trong vùng hồng ngoại ngắn (SWIR) [5,6] làm việc trong dải phổ 0,9- 1,7 µm ngày càng nhận được nhiều sự quan tâm hơn do những lợi thế ưu việt của chúng. Một là, trong điều kiện đêm tối (đặc biệt là đêm tối không trăng, không sao) phổ phát xạ của bầu trời đêm tập trung chủ yếu trong vùng phổ SWIR, vì vậy các khí tài hoạt động trong vùng phổ SWIR sẽ hoạt động tốt hơn các khí tài sử dụng nguyên lý khuếch đại ánh sáng mờ. Hai là, khí tài hoạt động trong vùng hồng ngoại gần thu nhận ánh sáng phản xạ lại từ mục tiêu giống như ánh sáng vùng khả kiến [7]. Do vậy hình ảnh thu được có độ tương phản cao dễ dàng phân biệt và nhận dạng mục tiêu. Ba là, trong khi các hệ quang điện tử sử dụng công nghệ khuếch đại ánh sáng mờ không thể hoạt động được trong điều kiện ban ngày và điều kiện lóa sáng thì các khí tài SWIR hoạt động rất tốt như một camera ngày. Bốn là, các khí tài ảnh nhiệt vùng hồng ngoại xa (LWIR) bị vô hiệu hóa khi nhìn qua kính, sương mù, khói nhưng các khí tài SWIR lại làm việc rất tốt trong các điều kiện này [7]. Thêm vào đó, hầu hết các vật liệu thủy tinh thông thường có phổ truyền qua kéo dài từ vùng ánh sáng khả kiến đến vùng hồng ngoại gần (từ 0,4 đến 1,9 µm) [8] vì vậy nên việc lựa chọn vật liệu cũng như công nghệ gia công chế tạo không phức tạp như đối với vật liệu vùng ảnh nhiệt. Từ phân tích trên thấy rằng việc nghiên cứu, thiết kế hệ quang cho các khí tài hồng ngoại gần SWIR là rất cần thiết. Tuy nhiên, các thiết bị SWIR thương mại phổ biến hiện nay được thiết kế theo nguyên lý hệ vật kính thấu kính và yêu cầu vật liệu muối florua (CaF2 hoặc LiF) là vật liệu không bền trong điều kiện độ ẩm cao [8], đặc biệt ở nước ta. Do đó, cần có giải pháp khắc phục nhược điểm trên. Trông công trình này chúng tôi mạnh dạn đề xuất cấu hình SWIR với thiết kế cải tiến, có thể sử dụng vật liệu thông dụng. 2. CƠ SỞ VÀ CÁC GIẢI PHÁP THIẾT KẾ Các vật kính làm việc trong dải phổ SWIR trên thị trường thường được thiết kế dạng vật kính thấu kính như hình 1. Vật kính thấu kính [9] có cấu tạo từ nhiều thấu kính (thường từ trên 5 thấu kính), ưu điểm của vật kính dạng này là có khẩu độ lớn và trường nhìn rộng, dễ gia công lắp giáp hiệu chỉnh., tuy nhiên có nhược điểm là hệ số truyền qua thấp do suy giảm trên nhiều bề mặt quang học. Vật liệu sử dụng gồm một số loại thủy tinh Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 60, 4 - 2019 155 thông thường như: thủy tinh K8, CTK12, CTK14... kết hợp với một số loại thủy tinh khác 2BaF , 2CaF , LiF[7]... Thủy tinh muối florua là loại vật liệu giá thành cao, tương đối giòn, dễ vỡ, khó gia công và khó bảo quản trong điều kiện độ ẩm cao, đây cũng là một nhược điểm của hệ vật kính –thấu kính. Hình 1. Hệ quang học của vật kính thấu kính. Hình 2. Hệ thống quang học của vật kính gương – thấu kính. Để khắc phục nhược điểm trên, chúng tôi đề xuất sử dụng hệ vật kính gương - thấu kính [10] như trên hình 2. Đây là một dạng biến thể của vật kính gương Caxigrin, trong đó gương chính và gương phụ không còn là 2 mặt phi cầu nữa mà là 2 bề mặt cầu, đồng thời bổ sung bộ bù khử quang sai. Ưu điểm của vật kính gương - thấu kính là có kết cấu khá đơn giản, khẩu độ lớn, kích thước ngắn, dễ tối ưu quang sai và sắc sai nhỏ. Tuy nhiên, hệ này không thể tránh được nhược điểm là trường nhìn hẹp và to bề ngang, hệ quang khá phức tạp yêu cầu gia công, lắp ráp và hiệu chỉnh với độ chính xác cao. Mặc dù vậy, nhược điểm trên cũng có thể khắc phục được nhờ phần mềm Zemax với chức năng tối ưu hóa kết cấu hệ với đa dạng các vật liệu. Vật liệu được sử dụng trong thiết kế gồm: thủy tinh K8 và CTK12. Đây là những thủy tinh thông dụng, dễ mua, dễ ra công lắp giáp phù hợp với công nghệ chế tạo ở Việt Nam. Từ hệ vật kính mẫu cùng các vật liệu đã xác định, các tham số bộ dưỡng có sẵn tại xí nghiệp sản xuất tiến hành tối ưu hệ quang để đạt được chất lượng ảnh tốt nhất nhờ sự trợ giúp của phần mềm ZEMAX. 3. TÍNH TOÁN THÔNG SỐ ĐẦU VÀO VÀ KẾT QUẢ THIẾT KẾ Mục tiêu của hệ quang thu SWIR được thiết kế sao cho có thể quan sát được các thiết bị xe cơ giới kích thước 3mx5mx3m ở cự ly khoảng 1500m. Các thông số ảnh mục tiêu phải đạt được như sau: độ phân giải 640x512 pixels, kích thước điểm ảnh d =15 µm, tần số quét khung hình 50 Hz. Theo tiêu chuẩn Johnson [10], để nhận dạng mục tiêu xe cơ giới có kích thước H=3m tại cự ly L=1500m với xác suất 0,5 thì ảnh của mục tiêu chiếm ít nhất 3 điểm ảnh trên đầu thu. Từ đó, ta xác định được tiêu cự f của vật kính thu theo công thức: 3 3 3 3. . 3.15.10 .1500.10 90 0,75.10 d L f mm H     . (1) Góc thị giới của vật kính được xác định bởi công thức: 2 2 2 2. 7 2 a b arctg f            (2) trong đó a,b là kích thước phần tử nhạy quang của đầu thu. Khẩu độ vật kính được tính bởi công thức [12]: Vật lý V. Q. Thủy, M. N. Công, Đ. N. Hiệp, “Giải pháp thiết kế hệ quang hồng ngoại gần.” 156 f NA   (3) trong đó, α là khẩu độ tiêu cự. Từ (1), (2) và (3) chúng ta có bộ các tham số đầu ra cho việc thiết kế hệ như sau: tiêu cự f = 100 mm, góc thị giới 2ω = 7o , khẩu độ tiêu cự α = 1.4, khẩu độ vật kính NA = f/1.4 = 70mm, vùng phổ làm việc từ 0.9μm đến 1.7μm với bước sóng chính là 1,5μm. Sử dụng các tham số đầu vào tiến hành thiết kế hệ quang vật kính thu dạng vật kính gương- thấu kính bằng phần mềm Zemax. Sau khi tối ưu thiết kế thu được kết quả hệ quang như trên hình 2. Đặc tính các gương và thấu kính sử dụng để thiết kế được trình bày trong bảng 1. Ở đây chúng ta sử dụng 2 loại vật liệu thủy tinh thông dụng trên thị trường là thủy tinh K8 và thủy tinh CTK12. Có thể nhận thấy rằng hệ quang trên hoàn toàn có thể thiết kế từ 4 phần tử và vẫn đảm bảo được chất lượng. Tuy nhiên, do phải tính toán đến khả năng gá lắp vào cơ cấu cơ khí đầu thu đã lựa chọn nên ở đây đã kết hợp thêm một thấu kính số “5” trên hình 3 để có thể kéo dài chiều dài ống kính thu. Theo kết quả thiết kế nhận thấy rằng số lượng bề mặt thiết kế là 10 ứng với 5 thấu kính ít hơn so với vật kính thấu kính có cùng tham số đầu ra và chất lượng tương đương. Hình 3. Hệ quang vật kính gương - thấu kính. Bảng 1. Thông số kỹ thuật các thành phần hệ quang vật kính. Thông số KT Gương 1 Gương 2 Thấu kính 3 Thấu kính 4 Thấu kính 5 Bán kính cong R1, mm 224,564 133,47 ∞ 86,531 20,79 Bán kính cong R2, mm ∞ 199,53 29,79 90,86 ∞ Chiều dày tại tâm D, mm 10 9 2 4 8 Vật liệu Thủy tinh K8 Thủy tinh K8 Thủy tinh CTK12 Thủy tinh K8 Thủy tinh K8 Hệ số khúc xạ n 1.51872 1.51872 1.6920 1.51872 1.51872 Hình 4. Cầu sai của vật kính. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 60, 4 - 2019 157 Cầu sai của vật kính được thể hiện như trên hình 4. Từ đồ thị chúng ta thấy rằng giá trị cầu sai lớn nhất của vật kính tại vị trí “2” không vượt quá 0,02 mm. Giá trị này là rất nhỏ đảm bảo không ảnh hưởng đến chất lượng ảnh của hệ quang. Tại vị trí “1” sắc sai gần như bằng 0. Trên hình 5a cho thấy cong trường lớn nhất xảy ra tại biên ứng với bước sóng 0,9µm và có giá trị khoảng 30µm. Giá trị này nhỏ hơn rất nhiều so với giá trị cong trường của hệ quang vật kính [5,6]. Trên hình 5b,5c, giá trị các hệ quang này lần lượt khoảng 95 µm và 150 µm. Méo ảnh của hệ quang có giá trị lớn nhất khoảng 1,4% tại biên thị giới. Giá trị này hầu như không ảnh hưởng đến chất lượng ảnh của hệ quang bởi mắt người trong điều kiện lý tưởng cũng chỉ phân biệt được méo ảnh lớn hơn 2%. a) b) c) Hình 5. Cong trường và méo ảnh: a-hệ vật kính gương thấu kính; b-hệ vật kính thấu kính[5]; c-hệ vật kính thấu kính OB-V-SWIR 100 của hãng Optec[6]. Vật lý V. Q. Thủy, M. N. Công, Đ. N. Hiệp, “Giải pháp thiết kế hệ quang hồng ngoại gần.” 158 a) b) c) Hình 6. Hàm truyền MTF: a - Hệ vật kính gương thấu kính; b - Hệ vật kính thấu kính[7]; c - Hệ vật kính thấu kính OB-V-SWIR 100 của hãng Optec. Đặc tuyến hàm MTF của vật kính được thiết kế như trên hình 6. Từ đồ thị chúng ta thấy rằng ở tần số 50 vạch/mm giá trị hàm MTF tại tâm trường nhìn đạt k = 0,87, tại biên hệ số đạt k = 0,68. Giá trị này cao hơn rất nhiều so với giá trị hàm MTF của các hệ quang vật kính thấu kính[5,6] có giá trị tương ứng là 0,62 và 0,38 tại biên, ở tại tâm trường nhìn là 0,7 và 0,45. Rõ ràng ta thấy chất lượng hệ quang vật kính dạng gương thấu kính có chất lượng tốt hơn nhiều so với hệ vật kính thấu kính thường. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 60, 4 - 2019 159 a) b) Hình 7. Đồ thị Spot(a) và hàm phân bố năng lượng(b). Trên hình 7 biễu diễn kích thước vết ứng với những vị trí khác nhau của trường nhìn so với kích thước của điểm ảnh lý tưởng (nhiễu xạ AIRY) và hàm phân bố năng lượng. Giá trị kích thước vết tại biên ứng với góc thị giới 8o là 12,87 µm. Giá trị này nhỏ hơn kích thước điểm ảnh là 15 µm đảm bảo ảnh của vật sau hệ quang nằm hoàn toàn trong phần tử nhạy quang của đầu thu. Theo kết quả thiết kế, ở mức năng lượng 80% đường kính ảnh có kích thước D = 4 µm tại tâm trường nhìn và D = 7 µm tại biên trường nhìn ứng với góc thị giới 8o . Giá trị này nhỏ hơn rất nhiều so với kích thước điểm ảnh là 15 µm đảm bảo hầu hết năng lượng tới đầu thu rơi vào phần tử nhạy quang. 4. KẾT LUẬN Bài báo đã trình bày kết quả thiết kế hệ quang vật kính dạng vật kính gương – thấu kính cho thiết bị vùng hồng ngoại gần bằng sử dụng phần mềm Zemax. Từ kết quả thiết kế thấy rằng, với các vật liệu thủy tinh thông thường như thủy tinh K8 và CTK12 có thể thiết kế hệ quang vật kính thu cho thiết bị vùng hồng ngoại gần với chất lượng đảm bảo có thể đưa vào chế tạo và sử dụng. Theo chúng tôi đánh giá, giải pháp này có chi phí chế tạo thấp và hoàn toàn phù hợp với điều kiện công nghệ gia công, chế tạo ở Việt Nam. Vật lý V. Q. Thủy, M. N. Công, Đ. N. Hiệp, “Giải pháp thiết kế hệ quang hồng ngoại gần.” 160 Lời cảm ơn: Nhóm tác giả cảm ơn sự tài trợ về kinh phí của Đề tài “Nghiên cứu phát triển thiết bị thu ảnh nhiệt phục vụ nhiệm vụ tác chiến và phòng thủ của Bộ tư lệnh thủ đô Hà Nội.” cấp Sở KH&CN Hà Nội. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ quân sự, số 38, tháng 4/2014, trang 96-100. [2]. Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ quân sự, số 44, tháng 8/2016, trang 116-121. [3]. Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ quân sự, số 47, tháng 2/2017, trang 133-140. [4]. Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ quân sự, số 54, tháng 4/2018, trang 163-173. [5]. Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ quân sự, số 55, tháng 6/2018, trang 121-126. [6]. [7]. Koretsky G. M, Nicoll J. F, Taylor M. S. A Tutorial On Electro-Optical/ Infrared Theory and System. IDA Document, 2013. [8]. Joseph Simmons, Kelly S. Potter, “Optical Materials” November 2012, 391 pages. [9]. Rudolf Kingslake, “Optical System Design,” November 2002, 332 pages. [10]. Vinay G. Vaidya, Rajeev Kaushal, “Handbook of Optical Design”, Kindle Edition, May 2012, 549 pages. [11]. Warren J. Smith, “Modern Optical Engineering”, Kindle Edition, August 2013, 453 pages. [12]. Arnold Daniel. Field Guide to Infrared System. Bellingham, Washington USA, 2006. ABSTRACT OPTICAL DESIGN SOLUTIONS FOR THERMAL IMAGING DEVICE IN THE SHORTWAVE INFRARED RADIATION In this paper, we propose a design solution to an optical objective lens system with a mirror-lens shape for devices operating in the near infrared region (SWIR). Based on the principle of mirror-lens system Caxigrin, the optical objective lens system has been designed, optimized by software Zemax with parameters of traditional materials available. The results are evaluated and discussed for applications for manufacturing of optoelectronic systems using SWIR receiver. Keywords: Camera; SWIR; Caxigrin; Optoelectronics system; Zemax. Nhận bài ngày 10 tháng 9 năm 2018 Hoàn thiện ngày 10 tháng 10 năm 2018 Chấp nhận đăng ngày 16 tháng 4 năm 2019 Địa chỉ: 1 Viện Vật lý kỹ thuật; 2 X23/Z199. * Email: quocthuy.bauman@gmail.com.