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

Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG QUANG HỌC<br /> CHO VẬT KÍNH ẢNH NHIỆT TỰ BÙ ẢNH HƯỞNG<br /> CỦA SỰ THAY ĐỔI NHIỆT ĐỘ<br /> <br /> Nguyễn Quang Hiệp1*<br /> <br /> Tóm tắt: Bài báo trình bày các bước thiết kế vật kính của khí tài ảnh nhiệt hoạt<br /> động trong vùng phổ từ 8 đến 12  m , trong đó có sử dụng phương pháp quang học<br /> thụ động để bù ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ lên chất lượng tạo ảnh của vật<br /> kính. Trên cơ sở đó, đã thiết kế vật kính khí tài ảnh nhiệt có chất lượng tạo ảnh tốt<br /> trong toàn bộ phạm vi thay đổi nhiệt độ từ 100 C đến 500 C.<br /> Từ khóa: Vật kính ảnh nhiệt, Phương pháp quang học thụ động.<br /> <br /> 1. MỞ ĐẦU<br /> Khí tài ảnh nhiệt (KTAN) là thiết bị quang điện tử hoạt động trên cơ sở tiếp<br /> nhận và biến đổi bức xạ hồng ngoại của chính mục tiêu phát ra thành ảnh trong<br /> vùng nhìn thấy. Do những ưu điểm vượt trội của KTAN so với các thiết bị quang<br /> điện tử khác như khả năng làm việc trong bất kỳ điều kiện thời tiết nào, ban ngày<br /> cũng như ban đêm nên chúng ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều<br /> lĩnh vực, đặc biệt là trong quốc phòng, an ninh [1, 2].<br /> Một trong những vấn đề khi thiết kế hệ thống quang học cho vật kính của<br /> KTAN, đặc biệt đối với các khí tài hoạt động trong vùng phổ từ 8 đến 12  m , là<br /> bên cạnh số lượng vật liệu có hệ số truyền qua cao trong vùng phổ đó không<br /> nhiều thì các tính chất nhiệt của chúng như hệ số giãn nở nhiệt, hệ số chiết suất<br /> nhiệt và hằng số quang nhiệt lại có giá trị tương đối lớn so với các loại vật liệu<br /> được dùng để thiết kế hệ thống quang học hoạt động trong vùng nhìn thấy [1]. Vì<br /> vậy, khi vật kính ảnh nhiệt hoạt động trong điều kiện nhiệt độ thay đổi sẽ xuất<br /> hiện lượng defocus và chất lượng ảnh giảm đi rõ rệt. Do đó, khi thiết kế hệ thống<br /> quang học cho vật kính của KTAN hoạt động trong vùng phổ từ 8 đến 12  m cần<br /> thiết phải chú ý đến việc sử dụng các biện pháp bù ảnh hưởng của sự thay đổi của<br /> nhiệt độ lên chất lượng tạo ảnh của vật kính [1-3].<br /> So với các phương pháp bù ảnh hưởng của sự thay đổi của nhiệt độ được dùng<br /> trong các vật kính KTAN hoạt động trong vùng phổ từ 8 đến 12  m khác như<br /> phương pháp cơ điện chủ động và phương pháp cơ khí thụ động thì phương pháp<br /> quang học thụ động có nhiều ưu điểm như: không làm phức tạp hóa kết cấu<br /> quang-cơ của vật kính; không sử dụng thêm các cơ cấu phụ, từ đó không làm<br /> tăng khối lượng, kích thước của vật kính, bảo toàn độ tin cậy của vật kính.<br /> Phương pháp này dựa trên việc lựa chọn tổ hợp vật liệu và sự phân bố độ tụ hợp<br /> lý giữa các thành phần của vật kính mà ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ lên<br /> chất lượng tạo ảnh của vật kính được giảm đi một cách đáng kể [4-7]. Đây chính<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 47, 02 - 2017 133<br />  Vật lý<br /> <br /> là phương pháp được lựa chọn trong bài báo này để thiết kế hệ thống quang học<br /> cho vật kính của KTAN hoạt động trong vùng phổ từ 8 đến 12  m .<br /> 2. XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ KÍCH THƯỚC CỦA VẬT KÍNH<br /> Đầu thu bức xạ quang học của KTAN hoạt động trong vùng phổ từ 8 đến<br /> 12  m có hai loại chính, đó là đầu thu microbolometer và đầu thu pyroelectric. Để<br /> thiết kế vật kính cho KTAN ta chọn loại đầu thu microbolometer có các thông số<br /> chính sau:<br /> - Độ phân giải: 640x480.<br /> - Kích thước pixel: 25  m x 25  m .<br /> - Khả năng phát hiện riêng trung bình D*=2x1010 (W-1.cm.Hz1/2).<br /> - Tần số khung hình: 30Hz<br /> Đây chính là đầu thu trong KTAN hiện có tại bộ môn Khí tài quang học – Khoa<br /> Vũ khí – Học viện KTQS.<br /> Các thông số kích thước của vật kính sẽ được xác định từ phương trình biểu<br /> diễn một trong những thông số chất lượng thông dụng nhất của KTAN đó là hiệu<br /> nhiệt độ tương đương nhiễu Tng .<br /> Giả sử KTAN hoạt động trong điều kiện mục tiêu ở xa vô cùng, có kích thước<br /> hữu hạn, ảnh của mục tiêu che khuất toàn bộ diện tích nhạy sáng của đầu thu,<br /> thành phần nhiễu chính của KTAN chính là nhiễu của bản thân đầu thu, mục tiêu là<br /> vật đen tuyệt đối có nhiệt độ là T. Khi đó, mật độ phổ thông lượng bức xạ đến đầu<br /> thu được xác định bằng biểu thức sau [8]:<br /> L( , T ) at ( ) hq ( ) Amt ADTV M ( , T )<br />  ( , T )  2<br />   at ( ) hq ( ) ADTV  (1)<br /> R <br /> trong đó: L( , T ) và M ( , T ) lần lượt là mật độ phổ độ chói và mật độ phổ độ<br /> trưng năng lượng của mục tiêu;  at ( ) và  hq ( ) lần lượt là độ truyền qua của khí<br /> quyển và độ truyền qua của vật kính; Amt là diện tích mục tiêu; ADTV là diện tích<br /> đồng tử vào của vật kính;  và  là kích thước góc của đầu thu.<br /> Phản ứng của đầu thu được xác định như sau:<br /> M ( , T )<br /> i ( , T )   ( , T ) s ( )   ADTV  at ( ) hq ( ) s ( )<br /> <br /> Suy ra:<br /> <br />  ADTV <br /> i (T )   i ( , T )d   0 M ( , T ) at ( ) hq ( )s( )d  (2)<br /> 0<br /> <br /> trong đó, s ( ) là độ nhạy phổ của đầu thu.<br /> <br /> <br /> 134 Nguyễn Quang Hiệp, “Nghiên cứu thiết kế hệ thống quang… của sự thay đổi nhiệt độ.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> Nếu như độ nhạy phổ của đầu thu s ( ) được xác định qua khả năng phát hiện<br /> riêng của đầu thu D* ( ) thì biểu thức (2) có thể được biểu diễn dưới dạng khác<br /> như sau:<br />  ADTV  n <br /> i (T )   M ( , T ) at ( ) hq ( ) D* ( )d  (3)<br />  abf 0<br /> trong đó: a, b là các kích thước của đầu thu; f là dải tần cho qua của mạch điện<br /> tử sau đầu thu;  n là giá trị bình phương trung bình nhiễu của đầu thu; D* ( ) là<br /> khả năng phát hiện riêng của đầu thu.<br /> Biểu thức (3) miêu tả phản ứng của đầu thu khi nhiệt độ của mục tiêu là T. Nếu như<br /> nhiệt độ của vật thay đổi một lượng T , khi đó sự thay đổi tín hiệu đầu ra của đầu thu<br /> được xác định bằng cách lấy vi phân hai vế của biểu thức (3) theo nhiệt độ, tức là:<br /> <br /> i (T )  ADTV  n M ( , T )<br />    at ( ) hq ( ) D* ( ) d (4)<br /> T  abf 0 T<br /> Nếu như T là một lượng rất nhỏ, khi đó biểu thức (4) được viết dưới dạng<br /> khác như sau:<br /> <br /> i (T )  ADTV  n M ( , T )<br />    at ( ) hq ( ) D* ( ) d (5)<br /> T  abf 0 T<br /> Suy ra, tỷ lệ giữa sự thay đổi tín hiệu và nhiễu của đầu thu được xác định bằng<br /> biểu thức:<br /> i (T )  ADTV T  M ( , T )<br />    at ( ) hq ( ) D* ( ) d (6)<br /> n  abf 0 T<br /> Như chúng ta đã biết, hiệu nhiệt độ tương đương nhiễu Tng có thể được định<br /> nghĩa là sự thay đổi nhiệt độ của mục tiêu dẫn đến sự thay đổi tín hiệu một lượng<br /> bằng với nhiễu [8-10]. Khi đó, từ (6), qua một số phép biến đổi, nhận được biểu<br /> thức dùng để xác định Tng như sau:<br /> <br /> 4( F / #) 2 f<br /> Tng  <br /> (7)<br /> * M ( , T )<br /> ab   at ( ) hq ( ) D ( ) d<br /> 0<br /> T<br /> trong đó: F / # là số khẩu độ của vật kính.<br /> Cho rằng, trong điều kiện làm việc thông thường của các KTAN hoạt động trong<br /> vùng phổ từ 8 đến 12  m với chức năng quan sát, phát hiện mục tiêu thì nhiệt độ của<br /> mục tiêu thường vào khoảng T  300 K , hệ số truyền qua của khí quyển  at  0,8 , hệ<br /> số truyền qua của hệ quang  hq  0,8 , khi đó, từ (7) nhận được đồ thị sau:<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 47, 02 - 2017 135<br />  Vật lý<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. Sự phụ thuộc giữa hiệu nhiệt độ tương đương nhiễu Tng<br /> và số khẩu độ F / # của vật kính.<br /> Cho rằng, yêu cầu cần thiết kế vật kính cho KTAN có hiệu nhiệt độ tương<br /> đương nhiễu Tng  50mK , cự ly phát hiện mục tiêu là người của KTAN vào<br /> khoảng 1,5km. Khi đó, theo tiêu chuẩn Johnson [1, 9] tiêu cự của vật kính được<br /> lựa chọn là 100mm. Từ đồ thị trên hình 1 nhận được khẩu độ số của vật kính<br /> F / #  1.1 , từ đó, suy ra đường kính đồng tử vào của vật kính DDTV  90mm .<br /> Thị giới của vật kính được xác định theo kích thước đầu thu bức xạ quang học:<br /> d dt a 2  b2<br /> 2  2 arctan( )  2 arctan( )  11.420<br /> 2f  2f <br /> Như vậy, vật kính cần thiết kế có các thông số kích thước như sau: tiêu cự<br /> f   100mm , đường kính đồng tử vào DDTV  90mm , thị giới 2  11.420 .<br /> 3. THIẾT KẾ VẬT KÍNH<br /> Dạng vật kính được lựa chọn thiết kế là vật kính dạng Triplet. Đây là dạng vật<br /> kính thường được dùng khi thiết kế các hệ thống quang học. Dạng vật kính này bao<br /> gồm ba thành phần, trong đó mỗi thành phần là một thấu kính đơn, có vừa đủ các<br /> thông số để hiệu chỉnh quang sai tốt nhất.<br /> Các thông số của các thành phần trong kết cấu của vật kính như độ tụ tương đối<br /> ( 1 ,  2 , 3 ) và khoảng cách giữa chúng ( d1 , d 2 ) được xác định từ việc thiết lập và<br /> giải hệ các phương trình sau [11-12]:<br /> - Phương trình tỷ lệ: h11  h2 2  h33  1<br /> h121 h222 h323<br /> - Phương trình hiệu chỉnh sắc sai vị trí:   0<br /> 1 2 3<br /> - Phương trình bù ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ: s 'f ,T0  s 'f ,T0 T<br /> trong đó: h1 , h2 , h3 lần lượt là chiều cao của tia cận trục bổ trợ loại một trên các<br /> thành phần tương ứng trong vật kính;  1 , 2 , 3 lần lượt là số Abbe của ba vật liệu<br /> <br /> <br /> 136 Nguyễn Quang Hiệp, “Nghiên cứu thiết kế hệ thống quang… của sự thay đổi nhiệt độ.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> dùng để gia công chế tạo các thành phần tương ứng; s 'f ,T0 là tiêu cự đỉnh sau của<br /> vật kính tại nhiệt độ làm việc T0; s 'f ,T0 T là tiêu cự đỉnh sau của vật kính tại nhiệt<br /> độ làm việc T0  T .<br /> Tổ hợp vật liệu được lựa chọn theo chỉ dẫn: trên giản đồ phân bố vật liệu (hình<br /> 2), trong đó: trục hoành là giá trị số Abbe của vật liệu  ; Trục tung là tích của số<br /> Abbe và hằng số quang nhiệt   VT , thì ba loại vật liệu dùng để chế tạo ba thành<br /> phần tương ứng của vật kính cần phải tạo với nhau tam giác có diện tích càng lớn<br /> càng tốt [1, 3]. Theo chỉ dẫn trên và theo giản đồ phân bố vật liệu thì tổ hợp vật<br /> liệu được lựa chọn là IRG25+ZnSe+Ge.<br /> Với tổ hợp vật liệu được chọn như trên, khi khoảng cách giữa các thành phần<br /> lần lượt là d1  0.194 , d 2  0.733 thì từ hệ ba phương trình ở trên nhận được các<br /> giá trị độ tụ tương đối của từng thành phần như sau: 1  1.18 ,  2  0.66 và<br /> 3  1.18 . Để đơn giản hóa, cho rằng trong hệ xuất phát ban đầu mỗi thành phần là<br /> một thấu kính mỏng có một mặt là mặt phẳng. Khi đó, sử dụng công thức cho các<br /> thấu kính mỏng nhận được các kết quả sau: r1 = 74.89mm; r4 = 106.15mm; r6 = -<br /> 140.046mm. Như vậy, các thông số kết cấu của hệ xuất phát đã được xác định.<br /> Tiếp theo ta cần tối ưu hệ xuất phát trong điều kiện thay đổi nhiệt độ.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 2. Giản đồ phân bố một số loại vật liệu hồng ngoại thường dùng.<br /> Cho rằng, để phù hợp với điều kiện làm việc tại Việt Nam vật kính cần thiết kế<br /> phải đảm bảo chất lượng tạo ảnh trên toàn bộ phạm vi thay đổi nhiệt độ từ 100C<br /> đến 500C, tức là ở các giá trị nhiệt độ khác nhau, tương ứng với các giá trị bán kính<br /> cong cũng như khoảng cách giữa các mặt, khoảng cách giữa các thấu kính và các<br /> giá trị chiết suất khác nhau thì các tiêu chí dùng để đánh giá chất lượng tạo ảnh của<br /> vật kính phải đảm bảo yêu cầu. Do đó, khi tối ưu vật kính trên phần mềm thiết kế<br /> hệ thống quang học Zemax ta phải sử dụng chức năng tối ưu hệ quang đa cấu hình.<br /> Mỗi một cấu hình của hệ quang hoạt động tại một nhiệt độ tương ứng, trong đó cấu<br /> hình cơ bản được coi là cấu hình hoạt động ở nhiệt độ 200C, tất cả các thông số kết<br /> cấu của các cấu hình khác (tương ứng với các nhiệt độ làm việc khác) nhận được<br /> từ các thông số kết cấu tương ứng của cấu hình cơ bản cộng với các hiệu ứng nhiệt.<br /> Hàm mục tiêu yêu cầu tổng giá trị quang sai ở tất cả các cấu hình là nhỏ nhất. Bên<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 47, 02 - 2017 137<br />  Vật lý<br /> <br /> cạnh các ràng buộc về độ dày các thấu kính và tiêu cự, để đảm bảo công nghệ khi<br /> lắp ghép vật kính với đầu thu ta thêm ràng buộc yêu cầu giá trị tiêu cự đỉnh sau<br /> trong tất cả các cấu hình phải lớn hơn 15mm. Kết quả vật kính sau tối ưu ở cấu<br /> hình cơ bản được biểu diễn trên hình 3. Trên hình 4 là giá trị hàm MTF của vật<br /> kính tại các giá trị nhiệt độ làm việc khác nhau.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 3. Cấu hình cơ bản của vật kính sau tối ưu (T=200C).<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> a) Giá trị hàm MTF của vật kính tại b) Giá trị hàm MTF của vật kính tại<br /> T=100C. T=200C.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> c) Giá trị hàm MTF của vật kính tại d) Giá trị hàm MTF của vật kính tại<br /> T=400C. T=500C.<br /> <br /> Hình 4. Giá trị hàm MTF của vật kính tại các nhiệt độ khác nhau.<br /> 4. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ<br /> Theo kết quả được thể hiện trên hình 4 tại tất cả các giá trị nhiệt độ làm việc<br /> khác nhau thì chất lượng tạo ảnh của vật kính được đảm bảo, giá trị hàm MTF<br /> <br /> <br /> 138 Nguyễn Quang Hiệp, “Nghiên cứu thiết kế hệ thống quang… của sự thay đổi nhiệt độ.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> không thay đổi nhiều. Đối với điểm trên trục ở các nhiệt độ khác nhau vật kính đều<br /> đạt độ phân giải là 60 vạch/mm. Tại 100C và 200C độ phân giải của vật kính đối<br /> với điểm mép ngoài thị giới đạt đến 50vạch/mm. Tại 400C và 500C độ phân giải<br /> của vật kính đối với điểm mép ngoài thị giới đạt 45vạch/mm. Như vậy, khi nhiệt<br /> độ thay đổi từ 100C đến 500C giá trị hàm MTF của vật kính đối với điểm mép<br /> ngoài thị giới chỉ thay đổi khoảng 10% .<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 5. Sự phụ thuộc giá trị tiêu cự đỉnh sau và nhiệt độ làm việc của vật kính.<br /> Ngoài ra, kết quả phân tích hàm tập trung năng lượng cho thấy, ở tất cả các giá<br /> trị nhiệt độ làm việc khác nhau thì có đến hơn 70% năng lượng tạo ảnh của các<br /> điểm ảnh tập trung trong vòng tròn có bán kính 12,5  m , tức là mỗi điểm ảnh có<br /> đến hơn 70% năng lượng chùm tia tạo ảnh nằm gọn trong pixel tương ứng.<br /> Bên cạnh đó, trên hình 5 biểu diễn sự thay đổi giá trị tiêu cự đỉnh sau của vật<br /> kính khi nhiệt độ thay đổi từ 100C đến 500C. Đồ thị cho thấy, giá trị tiêu cự đỉnh<br /> hầu như không thay đổi (so với cấu hình cơ bản thì sự thay đổi lớn nhất ở nhiệt độ<br /> 500C chỉ khoảng 0,17%).<br /> 5. KẾT LUẬN<br /> Như vậy, trên cơ sở phương pháp quang học thụ động bù ảnh hưởng của sự thay<br /> đổi nhiệt độ lên chất lượng vật kính dùng trong KTAN làm việc với dải bước sóng<br /> từ 8 đến 12  m đã thiết kế thành công vật kính ba thành phần làm việc trong phạm<br /> vi thay đổi nhiệt độ từ 100C đến 500C. Vật kính được thiết kế đảm bảo chất lượng<br /> tạo ảnh tốt trong toàn bộ dải nhiệt độ làm việc. Đây là cơ sở bước đầu trong việc<br /> làm chủ công nghệ thiết kế và chế tạo vật kính ảnh nhiệt tự bù ảnh hưởng của sự<br /> thay đổi nhiệt độ nói riêng và cả KTAN nói chung ở Việt Nam.<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. “Инфракрасные системы смотрящего<br /> типа”. М.: Логос, 2004.<br /> [2]. Волков В.Г., Ковалев А.В., Федчишин В.Г. “Тепловизионный приборы<br /> нового поколения”. Ч1// Спец. техника, № 6, С: 18-26, 2001.<br /> [3]. Якушенков Ю.Г. “Теория и расчет оптико-электронных приборов”. М.:<br /> Логос, 2004.<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 47, 02 - 2017 139<br />  Vật lý<br /> <br /> [4]. Ali H. Al-Hamdani, Raghad I.Imbrahim. “Athermalization of Optical Systems<br /> in Infrared”. International Journal of Current Engineering anh Technology,<br /> 2015, Vol.5, No.5, October 2015.<br /> [5]. Rayces, J. L. and Lebich, L., “Thermal compensation of infrared<br /> achromatic objectives with three optical materials”. SPIE, vol. 1354, pp.<br /> 752 – 759, 1990.<br /> [6]. Rogers, P. J. & Roberts, M. (1995). “Thermal compensation Techniques ,<br /> Fundamentals Techniques And Design”. Vol.1,pp39.1-40.2, McGraw - Hill, Inc.<br /> [7]. Li Hua, Han Wei Qiang, Shen Mang Zuo. “Passive athermal design and<br /> measurement of MWIR optical system”. Infrared and Laser Engineering. 687-<br /> 691, 2009.<br /> [8]. J.M. Lloyd, 1975. “Thermal imaging systems”. Plenum Press, New York.<br /> [9]. Arnold Daniels. “Field guide to infrared systems”. Bellingham, Washington<br /> USA, 2006.<br /> [10]. Thomas L. Williams. “Thermal Imaging Camera Characteristics and<br /> performance”, Taylor & Francis Group, 2009.<br /> [11]. Слюсарев Г. Г. “Методы расчета оптических систем”. Л.:<br /> Машиностроение, 1969.<br /> [12]. Запрягаева Л.А., Свешникова И.С. “Расчет и проектирование<br /> оптических систем”. М.: Логос, 2000.<br /> ABSTRACT<br /> A DESIGN OF AN OPTICAL SYSTEM OF A THERMALIZED IR OBJECTIVE<br /> In this paper, the steps to design an optical system of athermalized IR<br /> objective for thermal imaging system by using method optical passive<br /> athermalization are proposed. Based on this method, an athermalized IR<br /> objective working under temperature range of 100C~500C with satisfied<br /> image quality is designed.<br /> Keywords: Thermal objective, Method optical passive athermalization.<br /> <br /> <br /> <br /> Nhận bài ngày 15 tháng 8 năm 2016<br /> Hoàn thiện ngày 15 tháng 02 năm 2017<br /> Chấp nhận đăng ngày 20 tháng 02 năm 2017<br /> <br /> <br /> 1<br /> Địa chỉ: Bộ môn Khí tài quang học - Học viện Kỹ thuật Quân sự;<br /> *<br /> Email: quanghiepktq@gmail.com.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 140 Nguyễn Quang Hiệp, “Nghiên cứu thiết kế hệ thống quang… của sự thay đổi nhiệt độ.”<br />