Thiết kế hệ thống quang học cho vật kính của camera hoạt động trong vùng phổ hồng ngoại ngắn - Nguyễn Quang Hiệp

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 55, 06 - 2018 121 THIẾT KẾ HỆ THỐNG QUANG HỌC CHO VẬT KÍNH CỦA CAMERA HOẠT ĐỘNG TRONG VÙNG PHỔ HỒNG NGOẠI NGẮN Nguyễn Quang Hiệp1*, Hoàng Đình Nguyên2 Tóm tắt: Bài báo trình bày việc tính toán các thông số và thiết kế hệ thống quang học trong vật kính của camera hoạt động trong vùng phổ hồng ngoại ngắn (từ 0.9 đến 1.7 µm). Hệ quang được thiết kế cho chất lượng tạo ảnh tốt trong toàn bộ vùng phổ với độ phân giải cao (150 cặp vạch/mm). Lớp mạ truyền qua được thiết kế và đảm bảo yêu cầu nâng cao độ truyền qua của hệ quang (từ 62% lên đến 95%). Từ khóa: Camera quan sát; Vật kính; Vùng phổ hồng ngoại ngắn; Lớp mạ giảm phản xạ. 1. MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, bên cạnh sự phát triển của các khí tài quan sát đêm sử dụng ống khuếch đại ánh sáng (Image Intensifier Tube (IIT)) và các khí tài ảnh nhiệt thì các hệ thống quang điện tử hoạt động trong vùng phổ hồng ngoại ngắn (SWIR) ngày càng nhận được sự chú ý nhiều hơn [1, 2]. Điều này xuất phát từ các nguyên nhân sau. Thứ nhất, trong điều kiện đêm tối, đặc biệt khi không có ánh sáng trăng sao thì dải phổ phát xạ của bầu khí quyển tập trung chủ yếu trong vùng phổ SWIR, vì vậy, về mặt năng lượng, khí tài hoạt động trong vùng phổ SWIR sẽ có ưu điểm hơn so với khí tài nhìn đêm sử IIT. Thứ hai, nếu như khí tài ảnh nhiệt chỉ hoạt động trong điều kiện phải có sự chênh lệch về nhiệt độ bức xạ giữa mục tiêu và phông nền, trong khi khí tài hoạt động trong vùng phổ SWIR hoạt động trên cơ sở thu nhận bức xạ được mục tiêu phản xạ lại, do đó khả năng định dạng (recognition) và định danh (identification) mục tiêu của nó tốt hơn. Thứ ba, trong các hệ thống quang điện tử điều khiển từ xa hoạt động theo nguyên lý nhìn đêm khuếch đại ánh sáng mờ có sử dụng IIT thì bắt buộc phải có bộ chuyển đổi ảnh từ màn ảnh của IIT sang mặt phẳng cảm biến CCD/CMOS, điều này là không cần thiết đối với các hệ thống dùng đầu thu ma trận InGaAs hoạt động trong vùng phổ SWIR. Hơn thế nữa, hầu hết các vật liệu thủy tinh quang học thông thường có vùng phổ truyền qua kéo dài từ vùng nhìn thấy cho đến cận hồng ngoại trung (từ 0.4 đến 2 µm), do đó, việc lựa chọn vật liệu và tính công nghệ khi gia công hệ thống quang học cho các khí tài hoạt động trong vùng phổ SWIR không phức tạp như đối với các khí tài ảnh nhiệt. Ngày nay, trên cơ sở của sự phát triển không ngừng của công nghệ vật liệu và công nghệ bán dẫn nên chất lượng của đầu thu ma trận hoạt động trong vùng phổ SWIR trên cơ sở InGaAs, đặc biệt là độ phân giải, kích thước pixel, độ nhạy ngưỡng, ngày càng được nâng cao. Bên cạnh đó, khi nhu cầu tăng lên thì giá thành của đầu thu nói riêng và hệ thống quang điện tử hoạt động trong vùng phổ SWIR nói chung sẽ trở nên cạnh tranh hơn so với các hệ thống quang điện tử hoạt động ở các vùng phổ khác. Vì vậy, việc nghiên cứu và thiết kế hệ thống quang học cho vật kính của camera quan sát hoạt động trong vùng phổ SWIR là vấn đề mang tính cấp thiết. Đây là vấn đề còn chưa được tập trung nghiên cứu ở Việt Nam. 2. XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ VẬT KÍNH Hệ thống quang học cần thiết kế là vật kính của camera dùng để quan sát. Cự ly định dạng mục tiêu người đứng thằng là 700m. Đầu thu bức xạ quang học trong vùng phổ SWIR đã được lựa chọn trước với các thông số như sau: độ phân giải 640x512 pixel, kích thước pixel ∆d=25µm, khả năng phát hiện riêng trung bình D*=4.2x1013 (W- 1.cm.Hz1/2), độ rọi ngưỡng trên mặt phẳng đầu thu NEI = 2,1·108 photons/cm2.s, tần số khung hình 50Hz. Vật lý N. Q. Hiệp, H. Đ. Nguyên, “Thiết kế hệ thống quang học phổ hồng ngoại ngắn.” 122 Theo tiêu chuẩn Johnson, để định dạng được mục tiêu người có kích thước hiệu dụng là H=0.75m tại cự ly L=700m với xác suất là 0.5 thì ảnh của mục tiêu trên đầu thu phải chiếm ít nhất 4 pixel, tức là: . 4. H f d L    trong đó, f’ là tiêu cự của vật kính. Từ đó, suy ra: 3 2 2 4. . 4.25.10 .700.10 93 mm 0,75.10 d L f H      Chọn f’=100mm. Thị giới làm việc của vật kính, khi đó được xác định như sau: 2 2 02 ( ) 11.7 ' a b arctg f     trong đó: a, b là kích thước của đầu thu. Đường kính đồng tử vào của hệ quang trong vật kính được xác định theo công thức sau [3]: 4. . . . *. . dt DTV hq kq A f D NEI D     Trong đó: Ađt là diện tích đầu thu, ∆f là dải tần cho qua của đầu thu; NEI là độ rọi ngưỡng của đầu thu, τhq và τkq lần lượt là hệ số truyền qua của hệ quang và khí quyển. Hệ số truyền qua của khí quyển trong điều kiện tiêu chuẩn được tính toán theo [4] và nhận giá trị τkq = 0.8. Hệ số truyền qua của hệ quang được lựa chọn τhq = 0.8. Thay số vào, nhận được DDTV = 33 mm. Như vậy, hệ quang của vật kính cần thiết kế có các thông số quang học như sau: tiêu cự f’ = 100 mm, thị giới 2ω = 11.70, số F = 3, vùng phổ làm việc từ 0.9 đến 1.7µm với bước sóng chính là 1.55µm. 3. THIẾT KẾ HỆ QUANG Hình 1. Độ tán sắc của một số vật liệu quang học trong vùng phổ SWIR. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 55, 06 - 2018 123 Bên cạnh yêu cầu về độ truyền qua trong vùng phổ SWIR thì các vật liệu được lựa chọn khi thiết kế hệ quang của vật kính phải đảm bảo nguyên tắc phối hợp với nhau để khử sắc sai [5]. Tổ hợp vật liệu được lựa chọn ở đây là Φ2, BaF2 và LiF bởi vì cả 3 vật liệu trên đều là các vật liệu được dùng phổ biến khi thiết kế hệ quang trong vùng phổ SWIR. Φ2 là loại thủy tinh flint thông thường, nó có chiết suất tương đối lớn và số Abbe tương đối thấp so với các thủy tinh quang học thông thường khác (n=1.594, υ=36.4 tại bước sóng λ=1.55µm), trong khi đó BaF2 và LiF là hai vật liệu có chiết suất nhỏ và số Abbe lớn trong vùng phổ SWIR (đối với BaF2: n=1.468, υ=81.6; đối với LiF: n=1.382; υ=97.3), vì thế khi kết hợp lại chúng có khả năng khử sắc sai rất tốt. Trên hình 1 biểu diễn độ tán sắc của ba vật liệu trên trong vùng phổ SWIR [6]. Bên cạnh đó, các tính chất cơ lý của BaF2 và LiF không khác nhiều so với thủy tinh thông thường, vì vậy, quy trình công nghệ gia công các loại vật liệu nói trên về cơ bản cũng giống như quy trình công nghệ gia công các loại vật liệu thủy tinh thông thường khác, ngoại trừ quá trình đánh bóng nên sử dụng bột kim cương. Cả ba loại vật liệu trên đều có hệ số truyền qua rất cao trong vùng phổ SWIR [6]. Hình 2. Hệ thống quang học của vật kính. Việc thiết kế hệ quang được bắt đầu bằng việc lựa chọn hệ quang gồm ba thấu kính đơn làm từ ba loại vật liệu trên. Sau khi tối ưu chất lượng hệ quang chưa đạt yêu cầu. Để nâng cao chất lượng tạo ảnh tác giả sử dụng hệ quang gồm 6 thấu kính cũng từ ba loại vật liệu trên theo nguyên tắc đối xứng về vật liệu. Sau khi tối ưu, hệ quang có chất lượng tốt. Để tăng thêm tính công nghệ của hệ quang sau thiết kế tác giả thực hiện áp dưỡng cho các bán kính theo các dưỡng hiện có tại nhà máy X23-Z199-TCCNQP. Hình dạng hệ thống quang học sau áp dưỡng được biểu diễn trên hình 2. Trên các hình tiếp theo biểu diễn các tính chất đặc trưng cho chất lượng tạo ảnh của hệ quang như hàm MTF (hình 3), cong trường và méo ảnh (hình 4). Hình 3. Đồ thị hàm MTF của hệ quang. Vật lý N. Q. Hiệp, H. Đ. Nguyên, “Thiết kế hệ thống quang học phổ hồng ngoại ngắn.” 124 Từ hình 3 nhận thấy trên toàn bộ thị giới giá trị hàm MTF rất gần với giới hạn nhiễu xạ của hệ quang. Tại tần số Nyquist (20 vạch/mm) hàm MTF đạt giá trị 0.85, đây là giá trị cao hơn nhiều so với yêu cầu đối với hệ quang tạo ảnh trên đầu thu ma trận. Hơn nữa, nếu cho rằng ngưỡng độ tương phản của vật kính là 0.2 thì hệ quang sau thiết kế đạt mức phân giải 150 vặp vạch/mm. Như vậy, hệ quang sau thiết kế có chất lượng tạo ảnh rất tốt. Hình 4. Đồ thị cong trường và méo ảnh của hệ quang. Trên hình 4 cho thấy, cong trường lớn nhất xảy ra đối với điểm ngoài trục và tại hai bước sóng biên (0.9 và 1.7µm) và có giá trị vào khoảng 95µm. Méo ảnh của hệ quang có giá trị lớn nhất khoảng 1.08% 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 1%. Ngoài ra, các đồ thị của sắc sai phóng đại (hình 5) và sắc sai vị trí (hình 6) cũng cho thấy rằng, giá trị của chúng đều nằm trong giới hạn nhiễu xạ. Hình 5. Sắc sai phóng đại của hệ quang. Hình 6. Sắc sai vị trí của hệ quang. Một trong những thông số đặc biệt quan trọng đối với các khí tài hoạt động trong điều kiện bức xạ yếu, đó là độ truyền qua của hệ thống quang học trong vùng phổ làm việc. Trên hình 7 biểu diễn độ truyền qua của hệ quang sau thiết kế trong vùng phổ từ 0.9 đến 1.7µm. Nhận thấy rằng, tuy các vật liệu có độ truyền qua rất cao, các thấu kính có chiều dày đều không vượt quá 6mm, nhưng do hệ quang được cấu tạo từ 6 thấu kính đơn nên độ truyền qua của toàn hệ là tương đối thấp (62%). Vì vậy, để tăng độ nhạy của camera trong điều kiện bức xạ yếu thì cần phải thiết kế lớp màng truyền qua cho các thấu kính trong hệ quang. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 55, 06 - 2018 125 Bảng 1. Thông số kết cấu lớp mạ trên đế Φ2. 1 2 3 4 5 Vật liệu YF3 MgF2 YF3 HFO2 MgF2 Chiều dày (nm) 162.31 204.15 193.52 297.09 221.62 Bảng 2. Thông số kết cấu lớp mạ trên đế BaF2 1 2 3 4 5 Vật liệu YF3 MgF2 YF3 HFO2 MgF2 Chiều dày (nm) 396.00 259.57 191.03 297.10 221.68 Bảng 3. Thông số kết cấu lớp mạ trên đế LiF 1 2 3 4 5 Vật liệu YF3 MgF2 YF3 HFO2 MgF2 Chiều dày (nm) 396.88 214.06 191.55 290.94 219.54 Trên các bảng từ 1 đến 3 lần lượt là thông số kết cấu các lớp mạ tương ứng cho 3 loại vật liệu đế là Φ2, BaF2 và LiF sau khi đã tối ưu trên phần mềm TFCalc. Các thông số kết cấu của các lớp mạ này được khai báo và sử dụng trong phần mềm thiết kế quang học Zemax để tiến hành đánh giá hệ số truyền qua của hệ quang sau khi đã mạ màng truyền qua cho các thấu kính (hình 8). Nhận thấy rằng, sau khi mạ hệ số truyền qua của hệ quang đã tăng lên đáng kể trên toàn bộ dải phổ và đạt giá trị trung bình vào khoảng 95% (lớn hơn nhiều so với giá trị ban đầu của nó được lựa chọn để xác định đường kính đồng tử vào của vật kính) và đặc biệt lớn ở dải phổ phát xạ mạnh nhất của bầu trời đêm và vùng phổ nhạy lớn nhất của đầu thu bức xạ. Đây là giá trị tương đối cao nếu so với độ truyền qua của các vật kính cùng loại đã được các hãng sản xuất lớn hiện đang bán trên thị trường [7]. Hình 7. Hệ số truyền qua của hệ quang trước khi mạ. Hình 8. Hệ số truyền qua của hệ quang sau khi mạ. 4. KẾT LUẬN Như vậy, trên cơ sở lựa chọn vật liệu và tuân theo nguyên tắc từng bước nâng cao chất lượng tạo ảnh của hệ quang trong quá trình thiết kế tác giả đã thiết kế thành công hệ thống quang học cho vật kính của camera hoạt động trong vùng phổ SWIR. Hệ thống quang học bao gồm 6 thấu kính với ba loại vật liệu là Φ2, BaF2 và LiF. Hệ quang cho chất lượng tạo ảnh tốt trên toàn thị giới với độ phân giải 150 cặp vạch/mm. Các lớp mạ truyền qua được thiết kế đã tăng đáng kể hệ số truyền qua của hệ quang trong vùng phổ làm việc (từ 62% đến 95%). Việc sử dụng các vật liệu thông thường cũng như các bán kính cong tiêu chuẩn góp phần làm tăng tính công nghệ của hệ quang được thiết kế. Kết quả này khẳng định khả năng làm chủ thiết kế và từng bước làm chủ công nghệ gia công, chế tạo các hệ thống quang học cho các hệ thống quang điện tử hoạt động trong vùng hồng ngoại bước sóng ngắn. Vật lý N. Q. Hiệp, H. Đ. Nguyên, “Thiết kế hệ thống quang học phổ hồng ngoại ngắn.” 126 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Koretsky G. M, Nicoll J. F, Taylor M. S. A Tutorial On Electro-Optical/ Infrared Theory and System. IDA Document, 2013. [2]. Battaglia J, Brubaker R, Ettenberg M, Malchow D. High Speed Short Wave Infrared Imaging and Range Gating Camera . SPIE Vol. 6541 654106-1, 2007. [3]. Arnold Daniel. Field Guide to Infrared System. Bellingham, Washington USA, 2006. [4]. Криксунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники. Москва «Советское радио», 1978 [5]. Malacara D, Malacara Z. Handbook of Optical Design . Marcelu ekkerin, 2004. [6]. Marvin J. Weber. Handbook of Optiacal Materials. CRC Press, 2003. [7]. ABSTRACT DESIGNING AN OPTICAL SYSTEM OF OBJECTIVE IN SWIR CAMERA In this paper the calculation parameters and design an optical system of SWIR objective are proposed. Result shows that a designed objective lens has excellent performance in resolution (150 lp/mm). An optical antireflection coating was designed and significantly increased the transmittance of optical system (from 62% to 95%). Keywords: SWIR camera; Objective; Short wave infrared; Antireflection coating. Nhận bài ngày 08 tháng 3 năm 2018 Hoàn thiện ngày 23 tháng 3 năm 2018 Chấp nhận đăng ngày 08 tháng 6 năm 2018 Địa chỉ: 1 Bộ môn Khí tài quang học - Học viện Kỹ thuật quân sự; 2 Nhà máy Z199 – TC CNQ. * Email: quanghiepktq@gmail.com.