Giải pháp thiết kế hệ quang vật kính cho đầu thu vùng hồng ngoại gần
Vật lý
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
154
V. Q. Thủy, M. N. Công, Đ. N. Hiệp, “Giải pháp thiết kế hệ quang … hồng ngoại gần.”
Nghiên cứu khoa học công nghệ
thông thường như: thủy tinh K8, CTK12, CTK14... kết hợp với một số loại thủy tinh khác
BaF2 , CaF2 , 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.d.L 3.15.103.1500.103
f
90mm
.
(1)
(2)
H
0,75.103
Góc thị giới của vật kính được xác định bởi công thức:
a2 b2
2 f
2 2.arctg
7
trong đó a,b là kích thước phần tử nhạy quang của đầu thu.
Khẩu độ vật kính được tính bởi công thức [12]:
155
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 60, 4 - 2019
Vật lý
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
Bán kính cong
R1, mm
Bán kính cong
R2, mm
Chiều dày tại
tâm D, mm
Vật liệu
Gương 1
224,564
Gương 2
133,47
Thấu kính 3 Thấu kính 4
Thấu kính 5
∞
29,79
2
86,531
90,86
4
20,79
∞
199,53
9
∞
8
10
Thủy tinh K8 Thủy tinh K8
1.51872 1.51872
Thủy tinh
CTK12
1.6920
Thủy tinh K8 Thủy tinh K8
1.51872 1.51872
Hệ số khúc xạ n
Hình 4. Cầu sai của vật kính.
156
V. Q. Thủy, M. N. Công, Đ. N. Hiệp, “Giải pháp thiết kế hệ quang … hồng ngoại gần.”
Nghiên cứu khoa học công nghệ
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].
157
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 60, 4 - 2019
Vật lý
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.
158
V. Q. Thủy, M. N. Công, Đ. N. Hiệp, “Giải pháp thiết kế hệ quang … hồng ngoại gần.”
Nghiên cứu khoa học công nghệ
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.
159
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 60, 4 - 2019
Vật lý
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.
[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: [email protected].
160
V. Q. Thủy, M. N. Công, Đ. N. Hiệp, “Giải pháp thiết kế hệ quang … hồng ngoại gần.”
7 trang
13/01/2024
16520
Free
Bạn đang xem tài liệu "Giải pháp thiết kế hệ quang vật kính cho đầu thu vùng hồng ngoại gần", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giai_phap_thiet_ke_he_quang_vat_kinh_cho_dau_thu_vung_hong_n.pdf
