04 hoang van phong 7807

ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP QUÉT CHIẾU SÁNG MỤC TIÊU THEO HIỆU ỨNG QUANG ÂM CHO CÁC THIẾT BỊ QUANG ĐIỆN TỬ QUAN SÁT TRONG MÔI TRƯỜNG CÓ TẦM NHÌN HẠN CHẾ Hoàng Văn Phòng*, Phạm Sơn Lâm, Lý Ngu

ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP QUÉT CHIẾU SÁNG MỤC TIÊU THEO HIỆU ỨNG QUANG ÂM CHO CÁC THIẾT BỊ QUANG ĐIỆN

TỬ QUAN SÁT TRONG MÔI TRƯỜNG CÓ TẦM NHÌN HẠN CHẾ

Hoàng Văn Phòng*, Phạm Sơn Lâm, Lý Nguyên Lê

Tóm tắt: Thiết bị quang điện tử quan sát trong môi trường có tầm nhìn hạn chế

được sử dụng với mục đích phát hiện, nhận dạng và quan sát mục tiêu trong môi trường nước hoặc môi trường không khí khi điều kiện thời tiết kém (mưa, sương mù, bụi…) Thiết bị này gồm hai bộ phận chính là bộ phận quét chiếu sáng và bộ phận thu tín hiệu phản xạ để dựng ảnh mục tiêu, trong đó, bộ phận chiếu sáng có vai trò hết sức quan trọng trong việc tăng cự ly phát hiện, nhận dạng và quan sát mục tiêu của thiết bị Trong các thiết bị hiện nay, để nâng cao hiệu suất chiếu sáng người ta

sử dụng nguồn sáng là ánh sáng laser đơn sắc và cơ cấu quét gồm hai khối phản xạ theo hiệu ứng quang âm cho phép quét chùm tia laser theo hai chiều độc lập nhau Bài báo này phân tích cấu tạo và những ưu nhược điểm bộ quét chiếu sáng mục tiêu theo hiệu ứng quang âm cho các thiết bị quang điện tử quan sát trong môi trường

có tầm nhìn hạn chế

Từ khóa: Thiết bị quang điện tử; Phương pháp chiếu sáng mục tiêu; Laser; Hiệu ứng quang âm; Khối phản xạ

quang âm

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Các mục tiêu quan sát thường không tự phát ra ánh sáng nên để quan sát được chúng, đặc biệt là trong đêm tối hoặc trong môi trường có tầm nhìn hạn chế, đối với các thiết bị quang điện tử hiện nay được trang bị thêm bộ phận chiếu sáng mục tiêu sử dụng chùm tia laser và cơ cấu để quét chùm tia này lên bề mặt của mục tiêu Ánh sáng phản xạ từ mục tiêu có thể được quan sát trực tiếp bằng mắt thường hoặc qua các bước xử lý để quan sát trên màn hình camera [1] Các thiết bị này giữ vai trò rất quan trọng trong quân sự: phát hiện và cảnh giới từ xa các mục tiêu dưới nước, quan sát và lái xe trong điều kiện mưa và sương mù [2] Trong bài báo này

sẽ phân tích ưu và nhược điểm của các phương pháp quét chiếu sáng mục tiêu và

ứng dụng của bộ quét chiếu sáng mục tiêu theo hiệu ứng quang âm

Hiệu ứng quang âm là hiện tượng ánh sáng bị tán xạ, khúc xạ, phản xạ hoặc nhiễu xạ do sự thay đổi của môi trường truyền quang khi bị tác động của sóng siêu

âm Hiện nay, hiệu ứng quang âm được ứng dụng rộng rãi trong các ngành nghiên cứu khoa học cũng như trong các thiết bị kỹ thuật Ví dụ: sử dụng phương pháp quang âm để kiểm tra chất lượng của vật liệu trong suốt, phin lọc quang âm để phân tích thành phần hóa học của môi trường,… [3] Một trong những ứng dụng quan trọng của hiệu ứng quang âm là khối phản xạ quang âm dùng để quét chùm tia laser để chiếu sáng mục tiêu Bộ quét chiếu sáng mục tiêu theo hiệu ứng quang

âm gồm hai khối phản xạ quang âm cho phép quét chùm tia theo hai hướng độc lập nhau Do hiệu ứng tán xạ ánh sáng và tần số quét lớn của bộ quét cho phép quét

mục tiêu một cách liên tục với cự ly quét lớn

2 CÁC PHƯƠNG PHÁP QUÉT CHIẾU SÁNG MỤC TIÊU

Để chiếu sáng mục tiêu có thể sử dụng nguồn sáng liên tục hoặc nguồn sáng

dạng xung laser Đối với thiết bị sử dụng nguồn xung laser, do kích thước chùm tia laser nhỏ nên để chiếu sáng được hết mục tiêu cần phải thiết kế hệ quét chùm tia laser Hệ quét chiếu sáng mục tiêu sử dụng nguồn xung laser có thể theo các nguyên lý khác nhau: quang-cơ, điện từ, quang âm [4]

2.1 Phương pháp quét theo nguyên lý quang – cơ

Hệ quét theo nguyên lý quang – cơ được sử dụng rộng rãi trong nhiều thiết bị,

trong đó có máy in laser Trong hệ quét này, để làm lệch chùm tia người ta sử dụng

phần tử quét là nêm quang học, lăng kính hoặc hệ gương phản xạ quay quanh trục quang học của hệ (hình 1)

Hình 1 Sơ đồ hệ quét theo nguyên lý quang – cơ

Để tăng tần số quét, phần tử quét thường gồm nhiều bề mặt phản xạ và được tăng vận tốc quanh trục quang bằng cách sử dụng turbin khí hoặc bằng các chi tiết quang học Turbin khí có ưu điểm là có thể cho vận tốc quay rất lớn lên tới 2.104

vòng/giây Tuy nhiên, phương pháp này ít được sử dụng vì có cấu tạo phức tạp, không thuận tiện cho sử dụng, độ ổn định về vận tốc quay không cao, khó thay đổi tính năng bộ quét trong quá trình quét

Trong hệ quét có thể sử dụng các chi tiết quang học khác nhau để tăng vận tóc quay (lăng kính Dobe, gương phẳng, gương nhiều cạnh, hệ chuẩn trực,…)

Ưu điểm của hệ quét này là có khả năng nhận được góc lệch chùm tia lớn, không bị mất năng lượng của chùm tia quét và không bị phụ thuộc giá trị góc quét đối với các ánh sáng có bước sóng khác nhau nên thường được sử dụng quét trong các thiết bị có nguồn laser với nhiều màu sắc khác nhau

Tuy nhiên, hệ quét này có khuyết điểm là: vận tốc quét chùm tia không lớn, kích thước lớn, không thuận tiện, trong quá trình quét khó thay đổi các thông số cơ bản của bộ phận làm lệch chùm tia như biên độ góc và tần số quét

2.2 Phương pháp quét theo nguyên lý điện từ

Hệ quét chiếu sáng theo nguyên lý điện từ sử dụng phần tử quét được chia thành

2 nhóm chính: dạng vòng và dạng khung (hình 2)

Hình 2 Hệ quét chiếu sáng theo nguyên lý quang điện dạng vòng (a)

và dạng khung (b)

Phần tử quét dạng vòng (hình 2a ) cấu tạo như sau: Giữa các cực từ, sợi kim loại mỏng 8 bằng vật liệu hợp kim cách từ được kéo căng dưới dạng vòng tròn để đảm bảo độ bền vững cơ học Gương phẳng 3 được cố định ở vị trí giữa của sợi kim loại để thay đổi hướng của chùm tia Vòng dây và gương đóng vai trò là bộ phận chuyển động của phần tử quét Hai giá đỡ thẳng đứng 2 giới hạn chiều dài tự do dây Lò xo 1 dùng để kéo căng dây Hệ thống từ gồm có cuộn từ không đổi 4, guốc hãm 6 và ống trụ kim loại 5 để sinh ra từ trường Dòng điện được dẫn vào theo đầu kẹp dây 7

Khi cho dòng điện qua cuộn dây sẽ sinh ra từ trường Do sự tương tác giữa từ trường và dòng điện, dây dẫn sẽ bị kéo theo các hướng khác nhau làm cho gương phẳng bị quay đi theo các góc khác nhau tỷ lệ với cường độ dòng điện Để tạo ra góc quay lớn cho gương phải gắn thêm phần tử chủ động vào giữa 2 giá đỡ

Phần tử quét dạng khung (hình 2b) có cấu tạo đơn giản như một điện kế với khung được cố định trên các thanh kéo Khung 5 được làm từ dây đồng hoặc nhôm mỏng Thanh kép 2 giữ cho khung dây luôn ở vị trí giữa Dòng điện được đưa đến đầu kẹp 1 và đi vào khung dây Dưới sự tác động của dòng điện và từ trường 4 sẽ làm cho khung dây quay đi một góc Trên khung dây có gắn gương phẳng 3 nên gương cũng được quay Góc quay của gương tỷ lệ với dòng điện chạy qua khung dây Để đạt được tần số quét cao, khung dây phải được cố định bằng các thanh kéo rất chắc và mảnh

Ưu điểm của hệ quét này là dễ dàng điều chỉnh góc quét, cho độ phân giải cao Tuy nhiên, hệ quét này có nhược điểm là khối lượng của gương phẳng lớn mà lại được gắn trên dây mảnh nên độ vững chắc không cao, tính ổn định góc quét

không lớn

2.3 Phương pháp quét theo hiệu ứng quang điện

Phương pháp quét theo hiệu ứng quang điện dựa trên hiện tượng thay đổi hằng

số phân cực dẫn đến thay đổi chiết suất của tinh thể quang điện dưới tác dụng của điện trường Sự thay đổi này được tạo ra khi sử dụng các cuộn dây có hình dạng đặc biệt (hình tứ giác, hình hộp mặt thoi hoặc hình lập phương) khi đã xác định được hướng phân cực của loại tinh thể và được chia thành 3 dạng sau: Sự phân cực tia sáng của tinh thể vuông góc, song song hoặc tạo một góc 45° với vector cường

độ điện trường (hình 3)

Hình 3 Các dạng quét theo hiệu ứng quang điện

Ưu điểm của phương pháp quét ttheo hiệu ứng quang điện là cho phép quét liên tục với tần số cao và độ phân giải lớn Góc lệch của tia sáng và độ phân giải của thiết bị quét phụ thuộc vào cấu tạo và độ dài đường đi của tia sáng trong tinh thể quang điện

Nhược điểm của phương pháp quét này là khó căn chỉnh, cấu tạo phức tạp do có

có lượng lớn các phần tử điện

2.4 Phương pháp quét theo hiệu ứng quang âm

Hình 4 Kết cấu một khối phản xạ quang âm: 1 - Bộ biến đổi áp điện,

2 - Ống dẫn quang âm, 3 – Bộ phận hấp thụ sóng âm, 4 - Nguồn phát laser

Theo hiệu ứng này, để làm lệch đường đi của chùm tia laser, người ta sử dụng khối phản xạ quang âm gồm một ống dẫn quang âm thanh được làm bằng tinh thể gốm áp điện (PbMoO4, TeO2, LiIO3), bộ biến đổi áp điện và bộ phận hấp thụ sóng

âm Sóng âm tạo ra do điện áp giữa 2 bản cực dạng khe phẳng của bộ biến đổi áp điện gây ra sự thay đổi chiết suất của tinh thể và sự biến đổi pha nhiễu xạ của khe phẳng, do đó, khi ánh sáng truyền qua tinh thể quang âm sẽ bị khúc xạ (bị lệch so với phương ban đầu) Sự thay đổi điện áp tạo ra góc lệch khác nhau (dòng, mành) của chùm tia laser [5]

Để hiệu suất nhiễu xạ trên các khe phẳng của bộ phản xạ quang âm cao nhất, góc của chùm tia tới phải thỏa mãn điều kiện Bragg [6]:

0

trong đó, Λ,λ - Chiều dài bước sóng của âm thanh và ánh sáng

Do λ«Λ, từ công thức (1) suy ra:

2

o 

Góc lệch của chùm tia tới sau khi đi qua khối phản xạ quang âm được xác định:

0

a V



trong đó, V a – Vận tốc sóng âm, ϑ a – Tần số sóng âm

Nếu tần số sóng âm ϑa thay đổi theo từng khoảng ∆ϑa, góc lệch của chùm tia tới được xác định bởi tần số trung tâm của các dao động âm ∆ϑa0:

0



Nguyên lý làm việc của bộ quét chiếu sáng mục tiêu theo hiệu ứng quang âm như sau:

Ánh sáng từ nguồn phát laser qua adapter quang học đến cơ cấu quang âm Adapter quang học đảm bảo đồng bộ khẩu độ mở của chùm bức xạ laser và khẩu

độ mở của phần tử quang âm Cơ cấu quang âm làm cho ánh sáng truyền qua nó sẽ

bị khúc xạ (bị lệch so với phương ban đầu) với các góc khác nhau theo hai chiều ngang và dọc để tạo thành dòng và mành Cơ cấu quang âm được kết nối với máy tính bằng cổng USB2.0 Tần số quét và góc quét được điều chỉnh thông qua phần mềm trên máy tính Ánh sáng laser sau đó đi qua hệ quang học mở rộng chùm tia

để quét chiếu sáng mục tiêu

Bộ quét chiếu sáng mục tiêu theo hiệu ứng quang âm có cấu tạo gọn nhẹ, có thể điều khiển được bằng máy tính cho độ chính xác cao, cho phép quét chùm tia laser với tần số cao giúp cho việc chiếu sáng mục tiêu được tương đối liên tục Tuy nhiên, để chế tạo được bộ phản xạ quang âm cần yêu cầu cao về công nghệ và kỹ thuật nên giá thành tương đối cao

3 ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP QUÉT CHÙM TIA SÁNG

THEO HIỆU ỨNG QUANG ÂM

Phương pháp quét chùm tia sáng theo hiệu ứng quang âm được áp dụng trong nhiều thiết bị quang điện tử để làm lệch đường đi của tia sáng khi đi qua các khe quang âm được bố trí theo hai chiều vuông góc để quét chùm tia theo hai hướng Ví

dụ trong hệ thống ghi nhớ quang học (hình 5), bộ phận phản xạ quang âm đóng vai trò ghi và đọc thông tin dưới dạng các ma trận hologram kích thướng 220 x 220, tần

số quét từ 150 đến 250 MHz Hiệu suất làm lệch chùm tia đạt 45% Tuy nhiên, trong

hệ thống này yêu cầu các chi tiết quang học phức tạp dạng cầu và trụ [3]

Hình 5 Sơ đồ hệ quang hệ thống ghi nhớ quang học:

1 – Nguồn laser, 2 - Hệ chuẩn trực, 3 – Thấu kính hình trụ,

4 – Thấu kính hình cầu – X, Y – Bộ phận phản xạ quang âm theo 2 chiều X, Y

Một trong những ứng dụng quan trọng của phương pháp quét chùm tia sáng theo hiệu ứng quang âm là thiết bị quan sát trong điều kiện môi trường tầm nhìn hạn chế Thiết bị này sử dụng bức xạ laser bao gồm những khối chính như sau (hình 6):

+ Hệ quét sử dụng bức xạ laser (3) bao gồm: nguồn phát laser 4, adapter quang học 5, cơ cấu quét dòng 6, quét mành 7, hệ quang thay đổi kích thước chùm tia laser 8 Bức xạ laser ra khỏi hệ quét đi trong môi trường nước, phản xạ trên mục tiêu, địa hình sẽ được thu lại trên hệ thu (9)

+ Hệ thu (9) gồm: 10 - Hệ quang thu; 11 - CCD, 12, 13 – Xử lý tín hiệu; 14- Hộp điều khiển; 15- Bộ phận giao tiếp với mắt người – monitor

Hình 6 Sơ đồ kết cấu thiết bị quan sát trong điều kiện

môi trường có tầm nhìn hạn chế

Bề mặt vật thể dưới nước 1 được quét bởi hệ quét chiếu sáng mục tiêu 3, trong

đó sử dụng chùm bức xạ laser 4 có tiết diện hẹp Chùm bức xạ laser này có góc mở thay đổi được nhờ hệ quang 5, do đó, có thể thay đổi kích thước của vết laser cho phù hợp với khoảng cách từ thiết bị tới mục tiêu cần quan sát

Bộ quét với hai cơ cấu quét dòng và mành 6, 7 cho phép quét bề mặt mục tiêu theo cả hai tọa độ X, Y Hệ quang 5 đảm bảo đồng bộ khẩu độ mở của chùm bức

xạ laser và khẩu độ mở của hai cơ cấu quét 6, 7 Chùm bức xạ laser được hội tụ nhờ hệ quang 8 Cơ cấu quang âm được kết nối với máy tính bằng cổng USB2.0 Tần số quét và góc quét được điểu chỉnh thông qua phần mềm trên máy tính

Bức xạ phản xạ từ bề mặt mục tiêu 1 sau khi đi qua môi trường truyền 2 (nước, không khí, sương mù, ) vào hệ quang thu 10 và đi đến CCD Tín hiệu CCD qua

bộ phận xử lý tín hiệu 12,13 được hiển thị trên màn hình 15 với hình ảnh hai chiều của mục tiêu Hộp điều khiển 14 để điều chỉnh các chế độ làm việc của thiết bị Hiện nay, trên thế giới, các nhà khoa học Nga đã đưa ra bằng sáng chế chế tạo thiết bị quan sát dưới nước, trong đó có sử dụng bộ quét chiếu sáng mục tiêu theo nguyên lý quang âm [7] Thiết bị này cho phép quan sát mục tiêu ở cự ly xa nhất

14 m đối với môi trường nước biển có độ trong suốt Zб ≈ 8 m (hình 7)

Hình 7 Hình ảnh mục tiêu thu được khi sử dụng thiết bị quan sát dưới nước

Tại Việt Nam, việc ứng dụng hiệu ứng quang âm trong đời sống và kỹ thuật còn tương đối hạn chế Viện Vật lý kỹ thuật/Viện KH-CN quân sự cho mở đề tài

“Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ quét chiếu sáng mục tiêu theo hiệu ứng quang âm phục vụ thiết kế, chế tạo thiết bị quan sát dưới nước” Hệ quét chiếu sáng mục tiêu này gồm 3 bộ phận chính: nguồn chiếu sáng laser 1, cơ cấu quét quang âm 2 và mạch điều khiển kết nối với máy tính 3 (hình 8) Cơ cấu quét quang âm gồm 2 khối quang âm làm bằng tinh thể TeO2 đặt vuông góc với nhau cho phép quét chùm tia laser theo 2 phương Mạch điều khiển thay đổi tần số và góc quét thông qua phần mềm trên máy tính Hệ chiếu sáng mục tiêu theo hiệu ứng quang âm có thể quét chùm tia laser bước sóng 532 nm với tần số 2÷100 MHz và góc quét lớn nhất 3º