Giải pháp thiết kế hệ quang vật kính cho đầu thu vùng hồng ngoại gần

Vật lý<br /> <br /> GIẢI PHÁP THIẾT KẾ HỆ QUANG VẬT KÍNH CHO ĐẦU THU<br /> VÙNG HỒNG NGOẠI GẦN<br /> Vũ Quốc Thủy 1* , Mai Nguyệt Công1 , Đoàn Ngọc Hiệp2<br /> Tóm tắt: Bài báo trình bày giải pháp thiết kế hệ quang vật kính thu dạng<br /> gương-thấu kính cho thiết bị hoạt động trong vùng hồng ngoại gần (SWIR). Dựa<br /> trên nguyên lý của hệ gương-thấu kính Caxigrin, hệ quang vật kính đã được thiết<br /> kế, tối ưu nhờ phần mềm Zemax với các thông số của vật liệu truyền thống sẵn<br /> có. Kết quả được đánh giá và thảo luận cho việc áp dụng để chế tạo hệ quang<br /> cho các hệ thống quang điện tử sử dụng đầu thu SWIR.<br /> Từ khóa: Camera, SWIR, Caxigrin, optoelectronics system, Zemax.<br /> <br /> 1. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Hiện nay các thiết bị quan sát ngày đêm được nghiên cứu phát triển mạnh mẽ và<br /> được ứng dụng nhiều trong quân đội các nước. Bằng chứng là rất nhiều các hệ quan sát<br /> sử dụng bộ biến đổi quang điện khuếch đại ánh sáng mờ (EOP), các khí tài ảnh nhiệt ảnh<br /> nhiệt vùng hồng ngoại xa (LWIR) làm việc trong dải phổ 8-12 µm, các khí tài ảnh nhiệt<br /> ảnh nhiệt vùng hồng ngoại trung bình (MWIR) làm việc trong dải phổ 3-5 µm, các hệ<br /> thống quang điện tử tích hợp đo xa laser... không ngừng được nghiên cứu và ứng dụng<br /> trong cũng như ngoài quan đội [1,2,3,4]. Trong những năm gần đây, các hệ thống quang<br /> điện tử làm việc trong vùng hồng ngoại ngắn (SWIR) [5,6] làm việc trong dải phổ 0,9-<br /> 1,7 µm ngày càng nhận được nhiều sự quan tâm hơn do những lợi thế ưu việt của chúng.<br /> Một là, trong điều kiện đêm tối (đặc biệt là đêm tối không trăng, không sao) phổ phát xạ<br /> của bầu trời đêm tập trung chủ yếu trong vùng phổ SWIR, vì vậy các khí tài hoạt động<br /> trong vùng phổ SWIR sẽ hoạt động tốt hơn các khí tài sử dụng nguyên lý khuếch đại ánh<br /> sáng mờ. Hai là, khí tài hoạt động trong vùng hồng ngoại gần thu nhận ánh sáng phản xạ<br /> lại từ mục tiêu giống như ánh sáng vùng khả kiến [7]. Do vậy hình ảnh thu được có độ<br /> tương phản cao dễ dàng phân biệt và nhận dạng mục tiêu. Ba là, trong khi các hệ quang<br /> điện tử sử dụng công nghệ khuếch đại ánh sáng mờ không thể hoạt động được trong điều<br /> kiện ban ngày và điều kiện lóa sáng thì các khí tài SWIR hoạt động rất tốt như một<br /> camera ngày. Bốn là, các khí tài ảnh nhiệt vùng hồng ngoại xa (LWIR) bị vô hiệu hóa<br /> khi nhìn qua kính, sương mù, khói nhưng các khí tài SWIR lại làm việc rất tốt trong các<br /> điều kiện này [7]. Thêm vào đó, hầu hết các vật liệu thủy tinh thông thường có phổ<br /> truyền qua kéo dài từ vùng ánh sáng khả kiến đến vùng hồng ngoại gần (từ 0,4 đến 1,9<br /> µm) [8] vì vậy nên việc lựa chọn vật liệu cũng như công nghệ gia công chế tạo không<br /> phức tạp như đối với vật liệu vùng ảnh nhiệt. Từ phân tích trên thấy rằng việc nghiên<br /> cứu, thiết kế hệ quang cho các khí tài hồng ngoại gần SWIR là rất cần thiết. Tuy nhiên,<br /> các thiết bị SWIR thương mại phổ biến hiện nay được thiết kế theo nguyên lý hệ vật<br /> kính thấu kính và yêu cầu vật liệu muối florua (CaF2 hoặc LiF) là vật liệu không bền<br /> trong điều kiện độ ẩm cao [8], đặc biệt ở nước ta. Do đó, cần có giải pháp khắc phục<br /> nhược điểm trên. Trông công trình này chúng tôi mạnh dạn đề xuất cấu hình SWIR với<br /> thiết kế cải tiến, có thể sử dụng vật liệu thông dụng.<br /> 2. CƠ SỞ VÀ CÁC GIẢI PHÁP THIẾT KẾ<br /> Các vật kính làm việc trong dải phổ SWIR trên thị trường thường được thiết kế dạng<br /> vật kính thấu kính như hình 1. Vật kính thấu kính [9] có cấu tạo từ nhiều thấu kính<br /> (thường từ trên 5 thấu kính), ưu điểm của vật kính dạng này là có khẩu độ lớn và trường<br /> nhìn rộng, dễ gia công lắp giáp hiệu chỉnh., tuy nhiên có nhược điểm là hệ số truyền qua<br /> thấp do suy giảm trên nhiều bề mặt quang học. Vật liệu sử dụng gồm một số loại thủy tinh<br /> <br /> <br /> 154 V. Q. Thủy, M. N. Công, Đ. N. Hiệp, “Giải pháp thiết kế hệ quang … hồng ngoại gần.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> thông thường như: thủy tinh K8, CTK12, CTK14... kết hợp với một số loại thủy tinh khác<br /> BaF2 , CaF2 , LiF[7]... Thủy tinh muối florua là loại vật liệu giá thành cao, tương đối<br /> giòn, dễ vỡ, khó gia công và khó bảo quản trong điều kiện độ ẩm cao, đây cũng là một<br /> nhược điểm của hệ vật kính –thấu kính.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. Hệ quang học của vật kính thấu kính. Hình 2. Hệ thống quang học của vật kính gương<br /> – thấu kính.<br /> Để khắc phục nhược điểm trên, chúng tôi đề xuất sử dụng hệ vật kính gương - thấu<br /> kính [10] như trên hình 2. Đây là một dạng biến thể của vật kính gương Caxigrin, trong đó<br /> gương chính và gương phụ không còn là 2 mặt phi cầu nữa mà là 2 bề mặt cầu, đồng thời<br /> bổ sung bộ bù khử quang sai. Ưu điểm của vật kính gương - thấu kính là có kết cấu khá<br /> đơn giản, khẩu độ lớn, kích thước ngắn, dễ tối ưu quang sai và sắc sai nhỏ. Tuy nhiên, hệ<br /> này không thể tránh được nhược điểm là trường nhìn hẹp và to bề ngang, hệ quang khá<br /> phức tạp yêu cầu gia công, lắp ráp và hiệu chỉnh với độ chính xác cao.<br /> Mặc dù vậy, nhược điểm trên cũng có thể khắc phục được nhờ phần mềm Zemax với<br /> chức năng tối ưu hóa kết cấu hệ với đa dạng các vật liệu. Vật liệu được sử dụng trong thiết<br /> kế gồm: thủy tinh K8 và CTK12. Đây là những thủy tinh thông dụng, dễ mua, dễ ra công<br /> lắp giáp phù hợp với công nghệ chế tạo ở Việt Nam. Từ hệ vật kính mẫu cùng các vật liệu<br /> đã xác định, các tham số bộ dưỡng có sẵn tại xí nghiệp sản xuất tiến hành tối ưu hệ quang<br /> để đạt được chất lượng ảnh tốt nhất nhờ sự trợ giúp của phần mềm ZEMAX.<br /> 3. TÍNH TOÁN THÔNG SỐ ĐẦU VÀO VÀ KẾT QUẢ THIẾT KẾ<br /> Mục tiêu của hệ quang thu SWIR được thiết kế sao cho có thể quan sát được các<br /> thiết bị xe cơ giới kích thước 3mx5mx3m ở cự ly khoảng 1500m. Các thông số ảnh mục<br /> tiêu phải đạt được như sau: độ phân giải 640x512 pixels, kích thước điểm ảnh d =15 µm,<br /> tần số quét khung hình 50 Hz.<br /> Theo tiêu chuẩn Johnson [10], để nhận dạng mục tiêu xe cơ giới có kích thước H=3m<br /> tại cự ly L=1500m với xác suất 0,5 thì ảnh của mục tiêu chiếm ít nhất 3 điểm ảnh trên đầu<br /> thu. Từ đó, ta xác định được tiêu cự f của vật kính thu theo công thức:<br /> 3.d .L 3.15.103.1500.103<br /> f    90mm . (1)<br /> H 0, 75.103<br /> Góc thị giới của vật kính được xác định bởi công thức:<br />  a 2  b2 <br /> 2  2.arctg    7 (2)<br />  2f <br />  <br /> trong đó a,b là kích thước phần tử nhạy quang của đầu thu.<br /> Khẩu độ vật kính được tính bởi công thức [12]:<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 60, 4 - 2019 155<br />  Vật lý<br /> <br /> f<br /> NA  (3)<br /> <br /> trong đó, α là khẩu độ tiêu cự.<br /> Từ (1), (2) và (3) chúng ta có bộ các tham số đầu ra cho việc thiết kế hệ như sau: tiêu<br /> cự f = 100 mm, góc thị giới 2ω = 7 o , khẩu độ tiêu cự α = 1.4, khẩu độ vật kính NA =<br /> f/1.4 = 70mm, vùng phổ làm việc từ 0.9μm đến 1.7μm với bước sóng chính là 1,5μm.<br /> Sử dụng các tham số đầu vào tiến hành thiết kế hệ quang vật kính thu dạng vật kính<br /> gương- thấu kính bằng phần mềm Zemax. Sau khi tối ưu thiết kế thu được kết quả hệ<br /> quang như trên hình 2. Đặc tính các gương và thấu kính sử dụng để thiết kế được trình<br /> bày trong bảng 1. Ở đây chúng ta sử dụng 2 loại vật liệu thủy tinh thông dụng trên thị<br /> trường là thủy tinh K8 và thủy tinh CTK12. Có thể nhận thấy rằng hệ quang trên hoàn toàn<br /> có thể thiết kế từ 4 phần tử và vẫn đảm bảo được chất lượng. Tuy nhiên, do phải tính toán<br /> đến khả năng gá lắp vào cơ cấu cơ khí đầu thu đã lựa chọn nên ở đây đã kết hợp thêm một<br /> thấu kính số “5” trên hình 3 để có thể kéo dài chiều dài ống kính thu. Theo kết quả thiết kế<br /> nhận thấy rằng số lượng bề mặt thiết kế là 10 ứng với 5 thấu kính ít hơn so với vật kính<br /> thấu kính có cùng tham số đầu ra và chất lượng tương đương.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 3. Hệ quang vật kính gương - thấu kính.<br /> Bảng 1. Thông số kỹ thuật các thành phần hệ quang vật kính.<br /> Thông số KT Gương 1 Gương 2 Thấu kính 3 Thấu kính 4 Thấu kính 5<br /> Bán kính cong 224,564 133,47 ∞ 86,531 20,79<br /> R1, mm<br /> Bán kính cong ∞ 199,53 29,79 90,86 ∞<br /> R2, mm<br /> Chiều dày tại 10 9 2 4 8<br /> tâm D, mm<br /> Vật liệu Thủy tinh K8 Thủy tinh K8 Thủy tinh Thủy tinh K8 Thủy tinh K8<br /> CTK12<br /> Hệ số khúc xạ n 1.51872 1.51872 1.6920 1.51872 1.51872<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 4. Cầu sai của vật kính.<br /> <br /> <br /> 156 V. Q. Thủy, M. N. Công, Đ. N. Hiệp, “Giải pháp thiết kế hệ quang … hồng ngoại gần.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> Cầu sai của vật kính được thể hiện như trên hình 4. Từ đồ thị chúng ta thấy rằng giá<br /> trị cầu sai lớn nhất của vật kính tại vị trí “2” không vượt quá 0,02 mm. Giá trị này là rất<br /> nhỏ đảm bảo không ảnh hưởng đến chất lượng ảnh của hệ quang. Tại vị trí “1” sắc sai<br /> gần như bằng 0.<br /> Trên hình 5a cho thấy cong trường lớn nhất xảy ra tại biên ứng với bước sóng 0,9µm<br /> và có giá trị khoảng 30µm. Giá trị này nhỏ hơn rất nhiều so với giá trị cong trường của hệ<br /> quang vật kính [5,6]. Trên hình 5b,5c, giá trị các hệ quang này lần lượt khoảng 95 µm và<br /> 150 µm. Méo ảnh của hệ quang có giá trị lớn nhất khoảng 1,4% tại biên thị giới. Giá trị<br /> này hầu như không ảnh hưởng đến chất lượng ảnh của hệ quang bởi mắt người trong điều<br /> kiện lý tưởng cũng chỉ phân biệt được méo ảnh lớn hơn 2%.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> a)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> b)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> c)<br /> Hình 5. Cong trường và méo ảnh: a-hệ vật kính gương thấu kính; b-hệ vật kính thấu<br /> kính[5]; c-hệ vật kính thấu kính OB-V-SWIR 100 của hãng Optec[6].<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 60, 4 - 2019 157<br />  Vật lý<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> a)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> b)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> c)<br /> Hình 6. Hàm truyền MTF: a - Hệ vật kính gương thấu kính; b - Hệ vật kính thấu kính[7];<br /> c - Hệ vật kính thấu kính OB-V-SWIR 100 của hãng Optec.<br /> Đặc tuyến hàm MTF của vật kính được thiết kế như trên hình 6. Từ đồ thị chúng ta<br /> thấy rằng ở tần số 50 vạch/mm giá trị hàm MTF tại tâm trường nhìn đạt k = 0,87, tại biên<br /> hệ số đạt k = 0,68. Giá trị này cao hơn rất nhiều so với giá trị hàm MTF của các hệ quang<br /> vật kính thấu kính[5,6] có giá trị tương ứng là 0,62 và 0,38 tại biên, ở tại tâm trường nhìn<br /> là 0,7 và 0,45. Rõ ràng ta thấy chất lượng hệ quang vật kính dạng gương thấu kính có chất<br /> lượng tốt hơn nhiều so với hệ vật kính thấu kính thường.<br /> <br /> <br /> 158 V. Q. Thủy, M. N. Công, Đ. N. Hiệp, “Giải pháp thiết kế hệ quang … hồng ngoại gần.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> a)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> b)<br /> Hình 7. Đồ thị Spot(a) và hàm phân bố năng lượng(b).<br /> Trên hình 7 biễu diễn kích thước vết ứng với những vị trí khác nhau của trường nhìn so<br /> với kích thước của điểm ảnh lý tưởng (nhiễu xạ AIRY) và hàm phân bố năng lượng. Giá<br /> trị kích thước vết tại biên ứng với góc thị giới 8o là 12,87 µm. Giá trị này nhỏ hơn kích<br /> thước điểm ảnh là 15 µm đảm bảo ảnh của vật sau hệ quang nằm hoàn toàn trong phần tử<br /> nhạy quang của đầu thu. Theo kết quả thiết kế, ở mức năng lượng 80% đường kính ảnh có<br /> kích thước D = 4 µm tại tâm trường nhìn và D = 7 µm tại biên trường nhìn ứng với góc thị<br /> giới 8o . Giá trị này nhỏ hơn rất nhiều so với kích thước điểm ảnh là 15 µm đảm bảo hầu<br /> hết năng lượng tới đầu thu rơi vào phần tử nhạy quang.<br /> 4. KẾT LUẬN<br /> Bài báo đã trình bày kết quả thiết kế hệ quang vật kính dạng vật kính gương – thấu kính<br /> cho thiết bị vùng hồng ngoại gần bằng sử dụng phần mềm Zemax. Từ kết quả thiết kế thấy<br /> rằng, với các vật liệu thủy tinh thông thường như thủy tinh K8 và CTK12 có thể thiết kế<br /> hệ quang vật kính thu cho thiết bị vùng hồng ngoại gần với chất lượng đảm bảo có thể<br /> đưa vào chế tạo và sử dụng. Theo chúng tôi đánh giá, giải pháp này có chi phí chế tạo thấp<br /> và hoàn toàn phù hợp với điều kiện công nghệ gia công, chế tạo ở Việt Nam.<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 60, 4 - 2019 159<br />  Vật lý<br /> <br /> Lời cảm ơn: Nhóm tác giả cảm ơn sự tài trợ về kinh phí của Đề tài “Nghiên cứu phát triển<br /> thiết bị thu ảnh nhiệt phục vụ nhiệm vụ tác chiến và phòng thủ của Bộ tư lệnh thủ đô Hà Nội.”<br /> cấp Sở KH&CN Hà Nội.<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ quân sự, số 38, tháng 4/2014, trang 96-100.<br /> [2]. Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ quân sự, số 44, tháng 8/2016, trang 116-121.<br /> [3]. Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ quân sự, số 47, tháng 2/2017, trang 133-140.<br /> [4]. Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ quân sự, số 54, tháng 4/2018, trang 163-173.<br /> [5]. Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ quân sự, số 55, tháng 6/2018, trang 121-126.<br /> [6]. http://www.optec.eu/en/swir/900-1700.asp<br /> [7]. Koretsky G. M, Nicoll J. F, Taylor M. S. A Tutorial On Electro-Optical/ Infrared Theory<br /> and System. IDA Document, 2013.<br /> [8]. Joseph Simmons, Kelly S. Potter, “Optical Materials” November 2012, 391 pages.<br /> [9]. Rudolf Kingslake, “Optical System Design,” November 2002, 332 pages.<br /> [10]. Vinay G. Vaidya, Rajeev Kaushal, “Handbook of Optical Design”, Kindle Edition, May<br /> 2012, 549 pages.<br /> [11]. Warren J. Smith, “Modern Optical Engineering”, Kindle Edition, August 2013,<br /> 453 pages.<br /> [12]. Arnold Daniel. Field Guide to Infrared System. Bellingham, Washington USA, 2006.<br /> ABSTRACT<br /> OPTICAL DESIGN SOLUTIONS FOR THERMAL IMAGING DEVICE IN THE<br /> SHORTWAVE INFRARED RADIATION<br /> In this paper, we propose a design solution to an optical objective lens system<br /> with a mirror-lens shape for devices operating in the near infrared region (SWIR).<br /> Based on the principle of mirror-lens system Caxigrin, the optical objective lens<br /> system has been designed, optimized by software Zemax with parameters of<br /> traditional materials available. The results are evaluated and discussed for<br /> applications for manufacturing of optoelectronic systems using SWIR receiver.<br /> Keywords: Camera; SWIR; Caxigrin; Optoelectronics system; Zemax.<br /> <br /> <br /> <br /> Nhận bài ngày 10 tháng 9 năm 2018<br /> Hoàn thiện ngày 10 tháng 10 năm 2018<br /> Chấp nhận đăng ngày 16 tháng 4 năm 2019<br /> <br /> <br /> <br /> 1<br /> Địa chỉ: Viện Vật lý kỹ thuật;<br /> 2<br /> X23/Z199.<br /> *<br /> Email: quocthuy.bauman@gmail.com.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 160 V. Q. Thủy, M. N. Công, Đ. N. Hiệp, “Giải pháp thiết kế hệ quang … hồng ngoại gần.”<br />