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

Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> THIẾT KẾ HỆ THỐNG QUANG HỌC CHO VẬT KÍNH CỦA<br /> CAMERA HOẠT ĐỘNG TRONG VÙNG PHỔ HỒNG NGOẠI NGẮN<br /> Nguyễn Quang Hiệp1*, Hoàng Đình Nguyên2<br /> Tóm tắt: Bài báo trình bày việc tính toán các thông số và thiết kế hệ thống<br /> quang học trong vật kính của camera hoạt động trong vùng phổ hồng ngoại ngắn<br /> (từ 0.9 đến 1.7 µm). Hệ quang được thiết kế cho chất lượng tạo ảnh tốt trong toàn<br /> bộ vùng phổ với độ phân giải cao (150 cặp vạch/mm). Lớp mạ truyền qua được thiết<br /> kế và đảm bảo yêu cầu nâng cao độ truyền qua của hệ quang (từ 62% lên đến 95%).<br /> Từ khóa: Camera quan sát; Vật kính; Vùng phổ hồng ngoại ngắn; Lớp mạ giảm phản xạ.<br /> <br /> 1. MỞ ĐẦU<br /> Trong những năm gần đây, bên cạnh sự phát triển của các khí tài quan sát đêm sử dụng<br /> ống khuếch đại ánh sáng (Image Intensifier Tube (IIT)) và các khí tài ảnh nhiệt thì các hệ<br /> thống quang điện tử hoạt động trong vùng phổ hồng ngoại ngắn (SWIR) ngày càng nhận<br /> được sự chú ý nhiều hơn [1, 2]. Điều này xuất phát từ các nguyên nhân sau. Thứ nhất,<br /> trong điều kiện đêm tối, đặc biệt khi không có ánh sáng trăng sao thì dải phổ phát xạ của<br /> bầu khí quyển tập trung chủ yếu trong vùng phổ SWIR, vì vậy, về mặt năng lượng, khí tài<br /> hoạt động trong vùng phổ SWIR sẽ có ưu điểm hơn so với khí tài nhìn đêm sử IIT. Thứ<br /> hai, nếu như khí tài ảnh nhiệt chỉ hoạt động trong điều kiện phải có sự chênh lệch về nhiệt<br /> độ bức xạ giữa mục tiêu và phông nền, trong khi khí tài hoạt động trong vùng phổ SWIR<br /> hoạt động trên cơ sở thu nhận bức xạ được mục tiêu phản xạ lại, do đó khả năng định dạng<br /> (recognition) và định danh (identification) mục tiêu của nó tốt hơn. Thứ ba, trong các hệ<br /> thống quang điện tử điều khiển từ xa hoạt động theo nguyên lý nhìn đêm khuếch đại ánh<br /> sáng mờ có sử dụng IIT thì bắt buộc phải có bộ chuyển đổi ảnh từ màn ảnh của IIT sang<br /> mặt phẳng cảm biến CCD/CMOS, điều này là không cần thiết đối với các hệ thống dùng<br /> đầu thu ma trận InGaAs hoạt động trong vùng phổ SWIR. Hơn thế nữa, hầu hết các vật<br /> liệu thủy tinh quang học thông thường có vùng phổ truyền qua kéo dài từ vùng nhìn thấy<br /> cho đến cận hồng ngoại trung (từ 0.4 đến 2 µm), do đó, việc lựa chọn vật liệu và tính công<br /> nghệ khi gia công hệ thống quang học cho các khí tài hoạt động trong vùng phổ SWIR<br /> không phức tạp như đối với các khí tài ảnh nhiệt.<br /> Ngày nay, trên cơ sở của sự phát triển không ngừng của công nghệ vật liệu và công<br /> nghệ bán dẫn nên chất lượng của đầu thu ma trận hoạt động trong vùng phổ SWIR trên cơ<br /> sở InGaAs, đặc biệt là độ phân giải, kích thước pixel, độ nhạy ngưỡng, ngày càng được<br /> nâng cao. Bên cạnh đó, khi nhu cầu tăng lên thì giá thành của đầu thu nói riêng và hệ<br /> thống quang điện tử hoạt động trong vùng phổ SWIR nói chung sẽ trở nên cạnh tranh hơn<br /> so với các hệ thống quang điện tử hoạt động ở các vùng phổ khác. Vì vậy, việc nghiên cứu<br /> và thiết kế hệ thống quang học cho vật kính của camera quan sát hoạt động trong vùng phổ<br /> SWIR là vấn đề mang tính cấp thiết. Đây là vấn đề còn chưa được tập trung nghiên cứu ở<br /> Việt Nam.<br /> 2. XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ VẬT KÍNH<br /> Hệ thống quang học cần thiết kế là vật kính của camera dùng để quan sát. Cự ly định<br /> dạng mục tiêu người đứng thằng là 700m. Đầu thu bức xạ quang học trong vùng phổ<br /> SWIR đã được lựa chọn trước với các thông số như sau: độ phân giải 640x512 pixel,<br /> kích thước pixel ∆d=25µm, khả năng phát hiện riêng trung bình D*=4.2x1013 (W-<br /> 1<br /> .cm.Hz1/2), độ rọi ngưỡng trên mặt phẳng đầu thu NEI = 2,1·108 photons/cm2.s, tần số<br /> khung hình 50Hz.<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 55, 06 - 2018 121<br />  Vật lý<br /> <br /> Theo tiêu chuẩn Johnson, để định dạng được mục tiêu người có kích thước hiệu dụng là<br /> H=0.75m tại cự ly L=700m với xác suất là 0.5 thì ảnh của mục tiêu trên đầu thu phải<br /> chiếm ít nhất 4 pixel, tức là:<br /> H. f <br />  4.d<br /> L<br /> trong đó, f’ là tiêu cự của vật kính. Từ đó, suy ra:<br /> 4.d .L 4.25.103.700.102<br /> f   93 mm<br /> H 0, 75.102<br /> Chọn f’=100mm.<br /> Thị giới làm việc của vật kính, khi đó được xác định như sau:<br /> a 2  b2<br /> 2  arctg ( )  11.7 0<br /> f'<br /> trong đó: a, b là kích thước của đầu thu.<br /> Đường kính đồng tử vào của hệ quang trong vật kính được xác định theo công thức sau<br /> [3]:<br /> 4. Adt .f<br /> DDTV <br />  .NEI .D *. hq . kq<br /> Trong đó: Ađt là diện tích đầu thu, ∆f là dải tần cho qua của đầu thu; NEI là độ rọi<br /> ngưỡng của đầu thu, τhq và τkq lần lượt là hệ số truyền qua của hệ quang và khí quyển. Hệ<br /> số truyền qua của khí quyển trong điều kiện tiêu chuẩn được tính toán theo [4] và nhận giá<br /> trị τkq = 0.8. Hệ số truyền qua của hệ quang được lựa chọn τhq = 0.8.<br /> Thay số vào, nhận được DDTV = 33 mm.<br /> Như vậy, hệ quang của vật kính cần thiết kế có các thông số quang học như sau: tiêu cự<br /> f’ = 100 mm, thị giới 2ω = 11.70, số F = 3, vùng phổ làm việc từ 0.9 đến 1.7µm với bước<br /> sóng chính là 1.55µm.<br /> 3. THIẾT KẾ HỆ QUANG<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. Độ tán sắc của một số vật liệu quang học trong vùng phổ SWIR.<br /> <br /> <br /> <br /> 122 N. Q. Hiệp, H. Đ. Nguyên, “Thiết kế hệ thống quang học … phổ hồng ngoại ngắn.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> Bên cạnh yêu cầu về độ truyền qua trong vùng phổ SWIR thì các vật liệu được lựa<br /> chọn khi thiết kế hệ quang của vật kính phải đảm bảo nguyên tắc phối hợp với nhau để<br /> khử sắc sai [5]. Tổ hợp vật liệu được lựa chọn ở đây là Φ2, BaF2 và LiF bởi vì cả 3 vật liệu<br /> trên đều là các vật liệu được dùng phổ biến khi thiết kế hệ quang trong vùng phổ SWIR.<br /> Φ2 là loại thủy tinh flint thông thường, nó có chiết suất tương đối lớn và số Abbe tương<br /> đối thấp so với các thủy tinh quang học thông thường khác (n=1.594, υ=36.4 tại bước sóng<br /> λ=1.55µm), trong khi đó BaF2 và LiF là hai vật liệu có chiết suất nhỏ và số Abbe lớn trong<br /> vùng phổ SWIR (đối với BaF2: n=1.468, υ=81.6; đối với LiF: n=1.382; υ=97.3), vì thế khi<br /> kết hợp lại chúng có khả năng khử sắc sai rất tốt. Trên hình 1 biểu diễn độ tán sắc của ba<br /> vật liệu trên trong vùng phổ SWIR [6]. Bên cạnh đó, các tính chất cơ lý của BaF2 và LiF<br /> không khác nhiều so với thủy tinh thông thường, vì vậy, quy trình công nghệ gia công các<br /> loại vật liệu nói trên về cơ bản cũng giống như quy trình công nghệ gia công các loại vật<br /> liệu thủy tinh thông thường khác, ngoại trừ quá trình đánh bóng nên sử dụng bột kim<br /> cương. Cả ba loại vật liệu trên đều có hệ số truyền qua rất cao trong vùng phổ SWIR [6].<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 2. Hệ thống quang học của vật kính.<br /> Việc thiết kế hệ quang được bắt đầu bằng việc lựa chọn hệ quang gồm ba thấu kính đơn<br /> làm từ ba loại vật liệu trên. Sau khi tối ưu chất lượng hệ quang chưa đạt yêu cầu. Để nâng<br /> cao chất lượng tạo ảnh tác giả sử dụng hệ quang gồm 6 thấu kính cũng từ ba loại vật liệu<br /> trên theo nguyên tắc đối xứng về vật liệu. Sau khi tối ưu, hệ quang có chất lượng tốt. Để<br /> tăng thêm tính công nghệ của hệ quang sau thiết kế tác giả thực hiện áp dưỡng cho các bán<br /> kính theo các dưỡng hiện có tại nhà máy X23-Z199-TCCNQP. Hình dạng hệ thống quang<br /> học sau áp dưỡng được biểu diễn trên hình 2. Trên các hình tiếp theo biểu diễn các tính<br /> chất đặc trưng cho chất lượng tạo ảnh của hệ quang như hàm MTF (hình 3), cong trường<br /> và méo ảnh (hình 4).<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 3. Đồ thị hàm MTF của hệ quang.<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 55, 06 - 2018 123<br />  Vật lý<br /> <br /> Từ hình 3 nhận thấy trên toàn bộ thị giới giá trị hàm MTF rất gần với giới hạn nhiễu xạ<br /> của hệ quang. Tại tần số Nyquist (20 vạch/mm) hàm MTF đạt giá trị 0.85, đây là giá trị<br /> cao hơn nhiều so với yêu cầu đối với hệ quang tạo ảnh trên đầu thu ma trận. Hơn nữa, nếu<br /> cho rằng ngưỡng độ tương phản của vật kính là 0.2 thì hệ quang sau thiết kế đạt mức phân<br /> giải 150 vặp vạch/mm. Như vậy, hệ quang sau thiết kế có chất lượng tạo ảnh rất tốt.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 4. Đồ thị cong trường và méo ảnh của hệ quang.<br /> Trên hình 4 cho thấy, cong trường lớn nhất xảy ra đối với điểm ngoài trục và tại hai<br /> bước sóng biên (0.9 và 1.7µm) và có giá trị vào khoảng 95µm. Méo ảnh của hệ quang có<br /> giá trị lớn nhất khoảng 1.08% tại biên thị giới. Giá trị này hầu như không ảnh hưởng đến<br /> chất lượng ảnh của hệ quang bởi mắt người trong điều kiện lý tưởng cũng chỉ phân biệt<br /> được méo ảnh lớn hơn 1%. Ngoài ra, các đồ thị của sắc sai phóng đại (hình 5) và sắc sai vị<br /> trí (hình 6) cũng cho thấy rằng, giá trị của chúng đều nằm trong giới hạn nhiễu xạ.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 5. Sắc sai phóng đại của hệ quang. Hình 6. Sắc sai vị trí của hệ quang.<br /> Một trong những thông số đặc biệt quan trọng đối với các khí tài hoạt động trong<br /> điều kiện bức xạ yếu, đó là độ truyền qua của hệ thống quang học trong vùng phổ làm<br /> việc. Trên hình 7 biểu diễn độ truyền qua của hệ quang sau thiết kế trong vùng phổ từ<br /> 0.9 đến 1.7µm. Nhận thấy rằng, tuy các vật liệu có độ truyền qua rất cao, các thấu kính<br /> có chiều dày đều không vượt quá 6mm, nhưng do hệ quang được cấu tạo từ 6 thấu kính<br /> đơn nên độ truyền qua của toàn hệ là tương đối thấp (62%). Vì vậy, để tăng độ nhạy của<br /> camera trong điều kiện bức xạ yếu thì cần phải thiết kế lớp màng truyền qua cho các<br /> thấu kính trong hệ quang.<br /> <br /> <br /> 124 N. Q. Hiệp, H. Đ. Nguyên, “Thiết kế hệ thống quang học … phổ hồng ngoại ngắn.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> Bảng 1. Thông số kết cấu lớp mạ trên đế Φ2.<br /> 1 2 3 4 5<br /> Vật liệu YF3 MgF2 YF3 HFO2 MgF2<br /> Chiều dày (nm) 162.31 204.15 193.52 297.09 221.62<br /> Bảng 2. Thông số kết cấu lớp mạ trên đế BaF2<br /> 1 2 3 4 5<br /> Vật liệu YF3 MgF2 YF3 HFO2 MgF2<br /> Chiều dày (nm) 396.00 259.57 191.03 297.10 221.68<br /> Bảng 3. Thông số kết cấu lớp mạ trên đế LiF<br /> 1 2 3 4 5<br /> Vật liệu YF3 MgF2 YF3 HFO2 MgF2<br /> Chiều dày (nm) 396.88 214.06 191.55 290.94 219.54<br /> Trên các bảng từ 1 đến 3 lần lượt là thông số kết cấu các lớp mạ tương ứng cho 3 loại<br /> vật liệu đế là Φ2, BaF2 và LiF sau khi đã tối ưu trên phần mềm TFCalc. Các thông số kết<br /> cấu của các lớp mạ này được khai báo và sử dụng trong phần mềm thiết kế quang học<br /> Zemax để tiến hành đánh giá hệ số truyền qua của hệ quang sau khi đã mạ màng truyền<br /> qua cho các thấu kính (hình 8). Nhận thấy rằng, sau khi mạ hệ số truyền qua của hệ quang<br /> đã tăng lên đáng kể trên toàn bộ dải phổ và đạt giá trị trung bình vào khoảng 95% (lớn hơn<br /> nhiều so với giá trị ban đầu của nó được lựa chọn để xác định đường kính đồng tử vào của<br /> vật kính) và đặc biệt lớn ở dải phổ phát xạ mạnh nhất của bầu trời đêm và vùng phổ nhạy<br /> lớn nhất của đầu thu bức xạ. Đây là giá trị tương đối cao nếu so với độ truyền qua của các<br /> vật kính cùng loại đã được các hãng sản xuất lớn hiện đang bán trên thị trường [7].<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 7. Hệ số truyền qua của hệ quang Hình 8. Hệ số truyền qua của hệ quang<br /> trước khi mạ. sau khi mạ.<br /> 4. KẾT LUẬN<br /> Như vậy, trên cơ sở lựa chọn vật liệu và tuân theo nguyên tắc từng bước nâng cao chất<br /> lượng tạo ảnh của hệ quang trong quá trình thiết kế tác giả đã thiết kế thành công hệ thống<br /> quang học cho vật kính của camera hoạt động trong vùng phổ SWIR. Hệ thống quang học<br /> bao gồm 6 thấu kính với ba loại vật liệu là Φ2, BaF2 và LiF. Hệ quang cho chất lượng tạo<br /> ảnh tốt trên toàn thị giới với độ phân giải 150 cặp vạch/mm. Các lớp mạ truyền qua được<br /> thiết kế đã tăng đáng kể hệ số truyền qua của hệ quang trong vùng phổ làm việc (từ 62% đến<br /> 95%). Việc sử dụng các vật liệu thông thường cũng như các bán kính cong tiêu chuẩn góp<br /> phần làm tăng tính công nghệ của hệ quang được thiết kế. Kết quả này khẳng định khả năng<br /> làm chủ thiết kế và từng bước làm chủ công nghệ gia công, chế tạo các hệ thống quang học<br /> cho các hệ thống quang điện tử hoạt động trong vùng hồng ngoại bước sóng ngắn.<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 55, 06 - 2018 125<br />  Vật lý<br /> <br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. Koretsky G. M, Nicoll J. F, Taylor M. S. A Tutorial On Electro-Optical/ Infrared<br /> Theory and System. IDA Document, 2013.<br /> [2]. Battaglia J, Brubaker R, Ettenberg M, Malchow D. High Speed Short Wave Infrared<br /> Imaging and Range Gating Camera . SPIE Vol. 6541 654106-1, 2007.<br /> [3]. Arnold Daniel. Field Guide to Infrared System. Bellingham, Washington USA, 2006.<br /> [4]. Криксунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники. Москва<br /> «Советское радио», 1978<br /> [5]. Malacara D, Malacara Z. Handbook of Optical Design . Marcelu ekkerin, 2004.<br /> [6]. Marvin J. Weber. Handbook of Optiacal Materials. CRC Press, 2003.<br /> [7]. http://www.optec.eu/en/swir/900-1700.asp<br /> ABSTRACT<br /> DESIGNING AN OPTICAL SYSTEM OF OBJECTIVE IN SWIR CAMERA<br /> In this paper the calculation parameters and design an optical system of SWIR<br /> objective are proposed. Result shows that a designed objective lens has excellent<br /> performance in resolution (150 lp/mm). An optical antireflection coating was<br /> designed and significantly increased the transmittance of optical system (from 62%<br /> to 95%).<br /> Keywords: SWIR camera; Objective; Short wave infrared; Antireflection coating.<br /> <br /> Nhận bài ngày 08 tháng 3 năm 2018<br /> Hoàn thiện ngày 23 tháng 3 năm 2018<br /> Chấp nhận đăng ngày 08 tháng 6 năm 2018<br /> 1<br /> Địa chỉ: Bộ môn Khí tài quang học - Học viện Kỹ thuật quân sự;<br /> 2<br /> Nhà máy Z199 – TC CNQ.<br /> *<br /> Email: quanghiepktq@gmail.com.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 126 N. Q. Hiệp, H. Đ. Nguyên, “Thiết kế hệ thống quang học … phổ hồng ngoại ngắn.”<br />