Nghiên cứu thiết kế hệ thống quang học cho vật kính ảnh nhiệt tự bù ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ - Nguyễn Quang Hiệp

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 47, 02 - 2017 133 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG QUANG HỌC CHO VẬT KÍNH ẢNH NHIỆT TỰ BÙ ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ THAY ĐỔI NHIỆT ĐỘ Nguyễn Quang Hiệp1* Tóm tắt: Bài báo trình bày các bước thiết kế vật kính của khí tài ảnh nhiệt hoạt động trong vùng phổ từ 8 đến 12 m , trong đó có sử dụng phương pháp quang học thụ động để bù ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ lên chất lượng tạo ảnh của vật kính. Trên cơ sở đó, đã thiết kế vật kính khí tài ảnh nhiệt có chất lượng tạo ảnh tốt trong toàn bộ phạm vi thay đổi nhiệt độ từ 100 C đến 500 C. Từ khóa: Vật kính ảnh nhiệt, Phương pháp quang học thụ động. 1. MỞ ĐẦU Khí tài ảnh nhiệt (KTAN) là thiết bị quang điện tử hoạt động trên cơ sở tiếp nhận và biến đổi bức xạ hồng ngoại của chính mục tiêu phát ra thành ảnh trong vùng nhìn thấy. Do những ưu điểm vượt trội của KTAN so với các thiết bị quang điện tử khác như khả năng làm việc trong bất kỳ điều kiện thời tiết nào, ban ngày cũng như ban đêm nên chúng ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong quốc phòng, an ninh [1, 2]. Một trong những vấn đề khi thiết kế hệ thống quang học cho vật kính của KTAN, đặc biệt đối với các khí tài hoạt động trong vùng phổ từ 8 đến 12 m , là bên cạnh số lượng vật liệu có hệ số truyền qua cao trong vùng phổ đó không nhiều thì các tính chất nhiệt của chúng như hệ số giãn nở nhiệt, hệ số chiết suất nhiệt và hằng số quang nhiệt lại có giá trị tương đối lớn so với các loại vật liệu được dùng để thiết kế hệ thống quang học hoạt động trong vùng nhìn thấy [1]. Vì vậy, khi vật kính ảnh nhiệt hoạt động trong điều kiện nhiệt độ thay đổi sẽ xuất hiện lượng defocus và chất lượng ảnh giảm đi rõ rệt. Do đó, khi thiết kế hệ thống quang học cho vật kính của KTAN hoạt động trong vùng phổ từ 8 đến 12 m cần thiết phải chú ý đến việc sử dụng các biện pháp bù ảnh hưởng của sự thay đổi của nhiệt độ lên chất lượng tạo ảnh của vật kính [1-3]. So với các phương pháp bù ảnh hưởng của sự thay đổi của nhiệt độ được dùng trong các vật kính KTAN hoạt động trong vùng phổ từ 8 đến 12 m khác như phương pháp cơ điện chủ động và phương pháp cơ khí thụ động thì phương pháp quang học thụ động có nhiều ưu điểm như: không làm phức tạp hóa kết cấu quang-cơ của vật kính; không sử dụng thêm các cơ cấu phụ, từ đó không làm tăng khối lượng, kích thước của vật kính, bảo toàn độ tin cậy của vật kính. Phương pháp này dựa trên việc lựa chọn tổ hợp vật liệu và sự phân bố độ tụ hợp lý giữa các thành phần của vật kính mà ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ lên chất lượng tạo ảnh của vật kính được giảm đi một cách đáng kể [4-7]. Đây chính Vật lý Nguyễn Quang Hiệp, “Nghiên cứu thiết kế hệ thống quang của sự thay đổi nhiệt độ.” 134 là phương pháp được lựa chọn trong bài báo này để thiết kế hệ thống quang học cho vật kính của KTAN hoạt động trong vùng phổ từ 8 đến 12 m . 2. XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ KÍCH THƯỚC CỦA VẬT KÍNH Đầu thu bức xạ quang học của KTAN hoạt động trong vùng phổ từ 8 đến 12 m có hai loại chính, đó là đầu thu microbolometer và đầu thu pyroelectric. Để thiết kế vật kính cho KTAN ta chọn loại đầu thu microbolometer có các thông số chính sau: - Độ phân giải: 640x480. - Kích thước pixel: 25 m x 25 m . - Khả năng phát hiện riêng trung bình D*=2x1010 (W-1.cm.Hz1/2). - Tần số khung hình: 30Hz Đây chính là đầu thu trong KTAN hiện có tại bộ môn Khí tài quang học – Khoa Vũ khí – Học viện KTQS. Các thông số kích thước của vật kính sẽ được xác định từ phương trình biểu diễn một trong những thông số chất lượng thông dụng nhất của KTAN đó là hiệu nhiệt độ tương đương nhiễu ngT . Giả sử KTAN hoạt động trong điều kiện mục tiêu ở xa vô cùng, có kích thước hữu hạn, ảnh của mục tiêu che khuất toàn bộ diện tích nhạy sáng của đầu thu, thành phần nhiễu chính của KTAN chính là nhiễu của bản thân đầu thu, mục tiêu là vật đen tuyệt đối có nhiệt độ là T. Khi đó, mật độ phổ thông lượng bức xạ đến đầu thu được xác định bằng biểu thức sau [8]: 2 ( , ) ( ) ( ) ( , ) ( , ) ( ) ( )at hq mt DTV at hq DTV L T A A M T T A R                 (1) trong đó: ( , )L T và ( , )M T lần lượt là mật độ phổ độ chói và mật độ phổ độ trưng năng lượng của mục tiêu; ( )at  và ( )hq  lần lượt là độ truyền qua của khí quyển và độ truyền qua của vật kính; mtA là diện tích mục tiêu; DTVA là diện tích đồng tử vào của vật kính;  và  là kích thước góc của đầu thu. Phản ứng của đầu thu được xác định như sau: ( , ) ( , ) ( , ) ( ) ( ) ( ) ( )DTV at hq M T i T T s A s               Suy ra: 0 0 ( ) ( , ) ( , ) ( ) ( ) ( )DTV at hq A i T i T d M T s d                 (2) trong đó, ( )s  là độ nhạy phổ của đầu thu. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 47, 02 - 2017 135 Nếu như độ nhạy phổ của đầu thu ( )s  được xác định qua khả năng phát hiện riêng của đầu thu *( )D  thì biểu thức (2) có thể được biểu diễn dưới dạng khác như sau: * 0 ( ) ( , ) ( ) ( ) ( )DTV n at hq A i T M T D d ab f               (3) trong đó: ,a b là các kích thước của đầu thu; f là dải tần cho qua của mạch điện tử sau đầu thu; n là giá trị bình phương trung bình nhiễu của đầu thu; *( )D  là khả năng phát hiện riêng của đầu thu. Biểu thức (3) miêu tả phản ứng của đầu thu khi nhiệt độ của mục tiêu là T. Nếu như nhiệt độ của vật thay đổi một lượng T , khi đó sự thay đổi tín hiệu đầu ra của đầu thu được xác định bằng cách lấy vi phân hai vế của biểu thức (3) theo nhiệt độ, tức là: * 0 ( ) ( , ) ( ) ( ) ( )DTV n at hq Ai T M T D d T Tab f                  (4) Nếu như T là một lượng rất nhỏ, khi đó biểu thức (4) được viết dưới dạng khác như sau: * 0 ( ) ( , ) ( ) ( ) ( )DTV n at hq Ai T M T D d T Tab f                  (5) Suy ra, tỷ lệ giữa sự thay đổi tín hiệu và nhiễu của đầu thu được xác định bằng biểu thức: * 0 ( ) ( , ) ( ) ( ) ( )DTV at hq n A Ti T M T D d Tab f                 (6) Như chúng ta đã biết, hiệu nhiệt độ tương đương nhiễu ngT có thể được định nghĩa là sự thay đổi nhiệt độ của mục tiêu dẫn đến sự thay đổi tín hiệu một lượng bằng với nhiễu [8-10]. Khi đó, từ (6), qua một số phép biến đổi, nhận được biểu thức dùng để xác định ngT như sau: 2 * 0 4( / #) ( , ) ( ) ( ) ( ) ng at hq F f T M T ab D d T              (7) trong đó: / #F là số khẩu độ của vật kính. Cho rằng, trong điều kiện làm việc thông thường của các KTAN hoạt động trong vùng phổ từ 8 đến 12 m với chức năng quan sát, phát hiện mục tiêu thì nhiệt độ của mục tiêu thường vào khoảng 300T K , hệ số truyền qua của khí quyển 0,8at  , hệ số truyền qua của hệ quang 0,8hq  , khi đó, từ (7) nhận được đồ thị sau: Vật lý Nguyễn Quang Hiệp, “Nghiên cứu thiết kế hệ thống quang của sự thay đổi nhiệt độ.” 136 Hình 1. Sự phụ thuộc giữa hiệu nhiệt độ tương đương nhiễu ngT và số khẩu độ / #F của vật kính. Cho rằng, yêu cầu cần thiết kế vật kính cho KTAN có hiệu nhiệt độ tương đương nhiễu 50ngT mK  , cự ly phát hiện mục tiêu là người của KTAN vào khoảng 1,5km. Khi đó, theo tiêu chuẩn Johnson [1, 9] tiêu cự của vật kính được lựa chọn là 100mm. Từ đồ thị trên hình 1 nhận được khẩu độ số của vật kính / # 1.1F  , từ đó, suy ra đường kính đồng tử vào của vật kính 90DTVD mm . Thị giới của vật kính được xác định theo kích thước đầu thu bức xạ quang học: 2 2 02 2arctan( ) 2arctan( ) 11.42 2 2 dtd a b f f        Như vậy, vật kính cần thiết kế có các thông số kích thước như sau: tiêu cự 100f mm  , đường kính đồng tử vào 90DTVD mm , thị giới 02 11.42  . 3. THIẾT KẾ VẬT KÍNH Dạng vật kính được lựa chọn thiết kế là vật kính dạng Triplet. Đây là dạng vật kính thường được dùng khi thiết kế các hệ thống quang học. Dạng vật kính này bao gồm ba thành phần, trong đó mỗi thành phần là một thấu kính đơn, có vừa đủ các thông số để hiệu chỉnh quang sai tốt nhất. Các thông số của các thành phần trong kết cấu của vật kính như độ tụ tương đối ( 1 2 3, ,   ) và khoảng cách giữa chúng ( 1 2,d d ) được xác định từ việc thiết lập và giải hệ các phương trình sau [11-12]: - Phương trình tỷ lệ: 1 1 2 2 3 3 1h h h     - Phương trình hiệu chỉnh sắc sai vị trí: 22 2 3 31 1 2 2 1 2 3 0 hh h         - Phương trình bù ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ: 0 0 ' ' , ,f T f T Ts s   trong đó: 1 2 3, ,h h h lần lượt là chiều cao của tia cận trục bổ trợ loại một trên các thành phần tương ứng trong vật kính; 1 2 3, ,   lần lượt là số Abbe của ba vật liệu Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 47, 02 - 2017 137 dùng để gia công chế tạo các thành phần tương ứng; 0 ' ,f Ts  là tiêu cự đỉnh sau của vật kính tại nhiệt độ làm việc T0; 0 ' ,f T Ts   là tiêu cự đỉnh sau của vật kính tại nhiệt độ làm việc 0T T  . Tổ hợp vật liệu được lựa chọn theo chỉ dẫn: trên giản đồ phân bố vật liệu (hình 2), trong đó: trục hoành là giá trị số Abbe của vật liệu  ; Trục tung là tích của số Abbe và hằng số quang nhiệt TV  , thì ba loại vật liệu dùng để chế tạo ba thành phần tương ứng của vật kính cần phải tạo với nhau tam giác có diện tích càng lớn càng tốt [1, 3]. Theo chỉ dẫn trên và theo giản đồ phân bố vật liệu thì tổ hợp vật liệu được lựa chọn là IRG25+ZnSe+Ge. Với tổ hợp vật liệu được chọn như trên, khi khoảng cách giữa các thành phần lần lượt là 1 0.194d  , 2 0.733d  thì từ hệ ba phương trình ở trên nhận được các giá trị độ tụ tương đối của từng thành phần như sau: 1 1.18  , 2 0.66   và 3 1.18  . Để đơn giản hóa, cho rằng trong hệ xuất phát ban đầu mỗi thành phần là một thấu kính mỏng có một mặt là mặt phẳng. Khi đó, sử dụng công thức cho các thấu kính mỏng nhận được các kết quả sau: r1 = 74.89mm; r4 = 106.15mm; r6 = - 140.046mm. Như vậy, các thông số kết cấu của hệ xuất phát đã được xác định. Tiếp theo ta cần tối ưu hệ xuất phát trong điều kiện thay đổi nhiệt độ. Hình 2. Giản đồ phân bố một số loại vật liệu hồng ngoại thường dùng. Cho rằng, để phù hợp với điều kiện làm việc tại Việt Nam vật kính cần thiết kế phải đảm bảo chất lượng tạo ảnh trên toàn bộ phạm vi thay đổi nhiệt độ từ 100C đến 500C, tức là ở các giá trị nhiệt độ khác nhau, tương ứng với các giá trị bán kính cong cũng như khoảng cách giữa các mặt, khoảng cách giữa các thấu kính và các giá trị chiết suất khác nhau thì các tiêu chí dùng để đánh giá chất lượng tạo ảnh của vật kính phải đảm bảo yêu cầu. Do đó, khi tối ưu vật kính trên phần mềm thiết kế hệ thống quang học Zemax ta phải sử dụng chức năng tối ưu hệ quang đa cấu hình. Mỗi một cấu hình của hệ quang hoạt động tại một nhiệt độ tương ứng, trong đó cấu hình cơ bản được coi là cấu hình hoạt động ở nhiệt độ 200C, tất cả các thông số kết cấu của các cấu hình khác (tương ứng với các nhiệt độ làm việc khác) nhận được từ các thông số kết cấu tương ứng của cấu hình cơ bản cộng với các hiệu ứng nhiệt. Hàm mục tiêu yêu cầu tổng giá trị quang sai ở tất cả các cấu hình là nhỏ nhất. Bên Vật lý Nguyễn Quang Hiệp, “Nghiên cứu thiết kế hệ thống quang của sự thay đổi nhiệt độ.” 138 cạnh các ràng buộc về độ dày các thấu kính và tiêu cự, để đảm bảo công nghệ khi lắp ghép vật kính với đầu thu ta thêm ràng buộc yêu cầu giá trị tiêu cự đỉnh sau trong tất cả các cấu hình phải lớn hơn 15mm. Kết quả vật kính sau tối ưu ở cấu hình cơ bản được biểu diễn trên hình 3. Trên hình 4 là giá trị hàm MTF của vật kính tại các giá trị nhiệt độ làm việc khác nhau. Hình 3. Cấu hình cơ bản của vật kính sau tối ưu (T=200C). a) Giá trị hàm MTF của vật kính tại T=100C. b) Giá trị hàm MTF của vật kính tại T=200C. c) Giá trị hàm MTF của vật kính tại T=400C. d) Giá trị hàm MTF của vật kính tại T=500C. Hình 4. Giá trị hàm MTF của vật kính tại các nhiệt độ khác nhau. 4. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ Theo kết quả được thể hiện trên hình 4 tại tất cả các giá trị nhiệt độ làm việc khác nhau thì chất lượng tạo ảnh của vật kính được đảm bảo, giá trị hàm MTF Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 47, 02 - 2017 139 không thay đổi nhiều. Đối với điểm trên trục ở các nhiệt độ khác nhau vật kính đều đạt độ phân giải là 60 vạch/mm. Tại 100C và 200C độ phân giải của vật kính đối với điểm mép ngoài thị giới đạt đến 50vạch/mm. Tại 400C và 500C độ phân giải của vật kính đối với điểm mép ngoài thị giới đạt 45vạch/mm. Như vậy, khi nhiệt độ thay đổi từ 100C đến 500C giá trị hàm MTF của vật kính đối với điểm mép ngoài thị giới chỉ thay đổi khoảng 10% . Hình 5. Sự phụ thuộc giá trị tiêu cự đỉnh sau và nhiệt độ làm việc của vật kính. Ngoài ra, kết quả phân tích hàm tập trung năng lượng cho thấy, ở tất cả các giá trị nhiệt độ làm việc khác nhau thì có đến hơn 70% năng lượng tạo ảnh của các điểm ảnh tập trung trong vòng tròn có bán kính 12,5 m , tức là mỗi điểm ảnh có đến hơn 70% năng lượng chùm tia tạo ảnh nằm gọn trong pixel tương ứng. Bên cạnh đó, trên hình 5 biểu diễn sự thay đổi giá trị tiêu cự đỉnh sau của vật kính khi nhiệt độ thay đổi từ 100C đến 500C. Đồ thị cho thấy, giá trị tiêu cự đỉnh hầu như không thay đổi (so với cấu hình cơ bản thì sự thay đổi lớn nhất ở nhiệt độ 500C chỉ khoảng 0,17%). 5. KẾT LUẬN Như vậy, trên cơ sở phương pháp quang học thụ động bù ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ lên chất lượng vật kính dùng trong KTAN làm việc với dải bước sóng từ 8 đến 12 m đã thiết kế thành công vật kính ba thành phần làm việc trong phạm vi thay đổi nhiệt độ từ 100C đến 500C. Vật kính được thiết kế đảm bảo chất lượng tạo ảnh tốt trong toàn bộ dải nhiệt độ làm việc. Đây là cơ sở bước đầu trong việc làm chủ công nghệ thiết kế và chế tạo vật kính ảnh nhiệt tự bù ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ nói riêng và cả KTAN nói chung ở Việt Nam. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. “Инфракрасные системы смотрящего типа”. М.: Логос, 2004. [2]. Волков В.Г., Ковалев А.В., Федчишин В.Г. “Тепловизионный приборы нового поколения”. Ч1// Спец. техника, № 6, С: 18-26, 2001. [3]. Якушенков Ю.Г. “Теория и расчет оптико-электронных приборов”. М.: Логос, 2004. Vật lý Nguyễn Quang Hiệp, “Nghiên cứu thiết kế hệ thống quang của sự thay đổi nhiệt độ.” 140 [4]. Ali H. Al-Hamdani, Raghad I.Imbrahim. “Athermalization of Optical Systems in Infrared”. International Journal of Current Engineering anh Technology, 2015, Vol.5, No.5, October 2015. [5]. Rayces, J. L. and Lebich, L., “Thermal compensation of infrared achromatic objectives with three optical materials”. SPIE, vol. 1354, pp. 752 – 759, 1990. [6]. Rogers, P. J. & Roberts, M. (1995). “Thermal compensation Techniques , Fundamentals Techniques And Design”. Vol.1,pp39.1-40.2, McGraw - Hill, Inc. [7]. Li Hua, Han Wei Qiang, Shen Mang Zuo. “Passive athermal design and measurement of MWIR optical system”. Infrared and Laser Engineering. 687- 691, 2009. [8]. J.M. Lloyd, 1975. “Thermal imaging systems”. Plenum Press, New York. [9]. Arnold Daniels. “Field guide to infrared systems”. Bellingham, Washington USA, 2006. [10]. Thomas L. Williams. “Thermal Imaging Camera Characteristics and performance”, Taylor & Francis Group, 2009. [11]. Слюсарев Г. Г. “Методы расчета оптических систем”. Л.: Машиностроение, 1969. [12]. Запрягаева Л.А., Свешникова И.С. “Расчет и проектирование оптических систем”. М.: Логос, 2000. ABSTRACT A DESIGN OF AN OPTICAL SYSTEM OF A THERMALIZED IR OBJECTIVE In this paper, the steps to design an optical system of athermalized IR objective for thermal imaging system by using method optical passive athermalization are proposed. Based on this method, an athermalized IR objective working under temperature range of 100C~500C with satisfied image quality is designed. Keywords: Thermal objective, Method optical passive athermalization. Nhận bài ngày 15 tháng 8 năm 2016 Hoàn thiện ngày 15 tháng 02 năm 2017 Chấp nhận đăng ngày 20 tháng 02 năm 2017 Địa chỉ: 1 Bộ môn Khí tài quang học - Học viện Kỹ thuật Quân sự; * Email: quanghiepktq@gmail.com.