Bài viết trình bày cơ sở lý thuyết tính toán ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ dải rộng lên hệ quang vật kính ảnh nhiệt và đưa ra các giải pháp bù ảnh hưởng của sự thay đổi đó. Khi nhiệt độ thay đổi dẫn đến các thông số chiết suất, bán kính cong, độ dày và tiêu cự của hệ quang vật kính thay đổi, gây ra lượng defocus làm giảm chất lượng tạo ảnh của vật kính.
Trang 1NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN SỰ THAY ĐỔI CHẤT LƯỢNG TẠO ẢNH CỦA VẬT KÍNH ẢNH NHIỆT KHI NHIỆT ĐỘ THAY ĐỔI VÀ GIẢI PHÁP CHỦ ĐỘNG CƠ ĐIỆN BÙ NHIỆT
Hoàng Anh Tú1*, Trần Quốc Tuấn1
, Lê Văn Đại1, Đỗ Doanh Điện2
Tóm tắt: Bài báo trình bày cơ sở lý thuyết tính toán ảnh hưởng của sự thay đổi
nhiệt độ dải rộng lên hệ quang vật kính ảnh nhiệt và đưa ra các giải pháp bù ảnh hưởng của sự thay đổi đó Khi nhiệt độ thay đổi dẫn đến các thông số chiết suất, bán kính cong, độ dày và tiêu cự của hệ quang vật kính thay đổi, gây ra lượng defocus làm giảm chất lượng tạo ảnh của vật kính Giải pháp chủ động cơ điện với cảm biến nhiệt sẽ tính toán sự biến đổi nhiệt độ, và tự đông bù lượng defocus sinh
ra do sự thay đổi đó Kết quả tính toán cho thấy, việc sử dụng giải pháp chủ động
cơ điện sẽ đảm bảo chất lượng ảnh của vật kính được giữ nguyên trong dải nhiệt độ làm việc tương đối lớn (-10 0
C ÷ 60 0 C)
Từ khóa: Vật kính ảnh nhiệt; Defocus; Chủ động cơ điện
1 MỞ ĐẦU
Đặc trưng của vật liệu quang học có ảnh hưởng lên hệ thống quang học chủ yếu trên hai mặt: tính năng tán sắc và tính năng nhiệt độ Hệ quang của vật kính ảnh nhiệt hoạt động trong vùng phổ hồng ngoại, do đó, hệ số chiết suất nhiệt, hệ số giãn nở nhiệt và hằng số quang nhiệt lớn hơn rất nhiều so với các đặc trưng nhiệt tương ứng của vật liệu quang học làm việc trong vùng phổ nhìn thấy (bảng 1)
Bảng 1 So sánh đặc trưng quang của một số vật liệu quang học thông thường và
một số vật liệu hồng ngoại [1, 2]
Vật liệu
Hệ số chiết suất nhiệt
dn dT
(.10-6)
Hệ số giãn nở nhiệt
(α) (.10 -6
)
Hằng số quang nhiệt
1
Vt n
-6
) Vật liệu
quang học
thông
thường
Vật liệu
hồng ngoại
Các vật liệu thường dùng để chế tạo vật kính ảnh nhiệt như Ge, ZnS, ZnSe bên cạnh hệ số giãn nở nhiệt còn có hệ số chiết suất nhiệt khá lớn, tức là tính chất quang học của chúng rất nhạy với nhiệt độ [1] Nếu như cho rằng, trong lòng các linh kiện quang học nói riêng và toàn hệ quang nói chung không xuất hiện građien nhiệt (tức là nhiệt độ của tất cả các điểm trong hệ quang tại một thời điểm là như nhau) thì khi nhiệt độ của hệ tăng lên, chiết suất của các vật liệu quang học nói chung là tăng lên, đồng thời khi đó, các kích thước của hệ quang cũng tăng lên, cụ thể là các giá trị bán kính cong, chiều dày thấu kính, kích thước của khung thấu
Trang 2kính và các ống dùng để ghép nối các chi tiết quang riêng biệt lại với nhau cũng
tăng lên Kết quả của các sự thay đổi ở trên làm thay đổi tiêu cự của hệ quang làm
dịch chuyển mặt phẳng ảnh và gây ra một lượng quang sai defocus nhất định [2],
đồng thời làm thay đổi giá trị quang sai và đây là những nguyên nhân chính dẫn
đến sự thay đổi về chất lượng tạo ảnh của vật kính ảnh nhiệt Lượng defocus sinh
ra khi nhiệt độ thay đổi có thể được bù bằng một số phương pháp như: dùng mặt nạ
pha, thụ động cơ khí, thụ động quang học, chủ động cơ điện, mục đích để ảnh
của vật rơi vào đúng vị trí của đầu thu bức xạ tại bất cứ giá trị nhiệt độ nào Về
nguyên lý làm việc, phương pháp chủ động cơ điện với cảm biến nhiệt tích hợp
trong thiết bị ảnh nhiệt để ghi nhận sự thay đổi nhiệt độ bên trong vật kính ảnh
nhiệt đồng thời tính toán lượng defocus thay đổi theo nhiệt độ trong dải rộng (-100C
÷ 600C) và tự động thay đổi các thành phần trong vật kính như: mặt phẳng ảnh, vị
trí thấu kính, bù lại lượng defocus đó Bài báo này sẽ trình bày cơ sở lý thuyết
tính toán và phương pháp chủ động cơ điện bù ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt lên
chất lượng tạo ảnh của vật kính trong thiết bị ảnh nhiệt
2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ lên chất lượng tạo ảnh hệ quang vật
kính ảnh nhiệt
Xét trường hợp vật kính được cấu tạo từ một thành phần đơn, khi thay đổi nhiệt
độ thì chiết suất của vật liệu quang học thay đổi theo quy luật sau [2]:
(
0 T T0 );
nn (1) Trong đó: n0 là chiết suất tại nhiệt độ T0, T là nhiệt độ thực tế làm việc, còn là hệ
số thay đổi chiết suất theo nhiệt độ hay còn gọi là hệ số chiết suất nhiệt của vật liệu
Các thông số kết cấu của vật kính như độ dày, bán kính cong thay đổi theo
quy luật:
)
d r
(2)
Trong đó: d0 và r0 là giá trị chiều dày và bán kính cong tại nhiệt độ T0, là hệ
số giãn nở nhiệt của vật liệu làm thấu kính
Nếu như coi thấu kính đơn là vô cùng mỏng, khi đó, từ công thức dùng để xác
định tiêu cự
1 2
(n 1)( )
1
r
df
(3)
Thay dn T; dr1 r1 T, dr2 r2 T vào biểu thức ở trên ta nhận được:
( )
1
df
T
n
(4)
Trong đó, T T T0 là hiệu nhiệt độ
Trang 3Khi thay đổi tiêu cự, kéo theo sự thay đổi một lượng defocus [2, 4]:
w20 '
2 8( '/ #)
f f
và 2w20 kw20
(5)
Trong đó: F/ #: Số f number; k: Số sóng;
w20, : Lần lượt là hệ số và thông số defocus
Giá trị tiêu cự f ' sinh ra khi thay đổi một lượng T TT0 được thể hiện theo hình 1
a) Dải tiêu cự khi nhiệt độ 20 0 C b) Dải tiêu cự khi nhiệt độ thay đổi từ
(-10 0 C ÷ 60 0 C)
Hình 1 Sơ đồ mô phỏng sự thay đổi tiêu cự khi nhiệt độ thay đổi
của một hệ thống quang học
Như vậy, khi nhiệt độ thay đổi, dẫn đến tiêu cự hệ quang thay đổi, sinh ra một lượng defocus làm thay đổi chất lượng ảnh của hệ quang, nếu vật kính được cấu tạo từ nhiều thấu kính đơn (vật kính nhiều thành phần) thì sự thay đổi nhiệt độ sẽ dẫn đến sự thay đổi tiêu cự (một lượng f ') của từng thấu kính trong hệ, làm tiêu
cự của cả hệ thay đổi và lượng defocus gây ra khi tiêu cự thay đổi là tổng hợp lượng defocus của các thành phần trong hệ
2.2 Các phương pháp bù ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ
Các phương pháp bù ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ lên vật kính ảnh nhiệt thường dùng: thụ động cơ khí, thụ động quang học, chủ động cơ điện Căn cứ vào tính năng và công dụng của thiết bị để lựa chọn giải pháp bù nhiệt phù hợp
a Dạng thụ động cơ khí
Hình 2 Nguyên lý bù thụ động cơ khí
Trên hình 2 là sơ đồ nguyên lý của vật kính có sử dụng phương pháp thụ động
cơ khí để bù ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ lên chất lượng tạo ảnh (hay vị trí
0
T T T
Trang 4mặt phẳng ảnh) của vật kính (nửa hình bên dưới) và sơ đồ hệ quang không sử dụng phương pháp này (nửa hình bên trên)
Nguyên lý bù nhiệt như sau: khung của vật kính bao gồm ống trong (1) và ống ngoài (3), giữa chúng được liên hệ với nhau bằng tấm đệm (2) Kích thước (chiều dài) và vật liệu làm tấm đệm (mà tính chất quan trọng nhất của nó là hệ số giãn nở nhiệt) được tính toán và lựa chọn sao cho khi nhiệt độ làm việc của vật kính thay đổi thì sự giãn nở của tấm đệm sẽ bù trừ được sự sai lệch do sự giãn nở của ống bên trong và ống bên ngoài để vị trí mặt phẳng ảnh của vật kính không thay đổi Nhược điểm của phương pháp là làm phức tạp kết cấu cơ khí của vật kính, từ đó tăng khối lượng, kích thước và giá thành của vật kính nói riêng và của khí tài nói chung Bên cạnh đó, việc lựa chọn các vật liệu làm khung và tấm đệm cũng không
hề đơn giản, bên cạnh các tính chất về nhiệt cần thiết chúng còn có các tính chất không mong muốn khác Vì vậy, phương pháp này chủ yếu ứng dụng trong các ống kính ảnh nhiệt một trường nhìn và ít được ứng dụng trong các thiết bị có sự thay đổi nhiệt lớn như đầu tự dẫn tên lửa hoặc các trạm quan sát đặt ngoài trời
b Dạng thụ động quang học
Đặc điểm của phương pháp là tính toán trước ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt đến chất lượng tạo ảnh của hệ thống quang học, trên cơ sở đó lựa chọn giải pháp thiết kế bù nhiệt bằng nguyên lý quang học
Các giải pháp bù nhiệt bằng nguyên lý thụ động quang học như: sử dụng tổ hợp các vật liệu quang học có đặc trưng nhiệt độ khác nhau để thiết kế bù nhiệt, giải pháp này có nhược điểm chính là vật liệu được lựa chọn thiết kế không phải lúc nào cũng có sẵn và đôi khi chọn được vật liệu cũng làm cho giá thành sản phẩm tăng lên nhiều Ngoài ra, trong một số trường hợp đặc biệt đòi hỏi hệ thống quang học hoạt động ở dải nhiệt độ rộng thì việc lựa chọn vật liệu liên hợp không phải lúc nào cũng là tối ưu Một giải pháp thụ động quang học khác là thiết kế lai ghép vào
hệ quang một thành phần quang học [5], thành phần lai ghép thêm để bù nhiệt này được xem như một linh kiện quang học gọi chung là mặt nạ pha Mặt nạ pha khi lai ghép trong hệ thống quang học có tác dụng điều biến pha của mặt sóng đến dẫn đến thay đổi tính chất tạo ảnh của hệ thống quang học và mặt nạ pha thường được đặt tại đồng tử của hệ thống quang học (hình 3)
Hình 3 Sơ đồ khối lai ghép mặt nạ pha trong hệ thống quang học
Mặt nạ pha (3) thêm vào hệ thống quang học của TBAN, đặt tại mặt phẳng đồng tử (2), ảnh nhận được trên đầu thu (4) được thông qua quá trình xử lý số (5)
để nâng cao chất lượng ảnh và thu được ảnh cuối cùng (6) Ưu điểm của giải pháp lai ghép mặt nạ pha là có thể bù nhiệt trong dải rộng, tuy nhiên, nhược điểm chính
là việc gia công chế tạo mặt nạ pha đòi hỏi công nghệ cao, giá thành đắt, do mặt nạ
3
2
4
Trang 5pha có hình phức tạp dạng phi cầu, bậc 3, phi tuyến, vòng xuyến,…và không phải lúc nào cũng thực hiện được Mặt khác, khi sử dụng mặt nạ pha phải thêm bước xử
lý số rất phức tạp không phù hợp với các hệ thống quang học đơn giản Vì vậy, mà giải pháp dùng mặt nạ pha bù nhiệt rất ít khi được sử dụng
c Dạng chủ động cơ điện
Thông qua nghiên cứu nguyên lý hoạt động của hệ thống quang học chúng ta biết rằng, tiêu cự của hệ thống quang học có thể được thay đổi bằng cách thực hiện
sự thay đổi vị trí dọc theo quang trục của mỗi thành phần thấu kính trong nhóm các thấu kính, dịch chuyển đầu thu bức xạ hoặc dịch chuyển toàn bộ hệ vật kính thông qua nguyên lý này có thể bù được sự dịch chuyển mặt phẳng ảnh cũng như nâng cao chất lượng ảnh của hệ thống quang học Để tính năng của hệ thống quang học không thay đổi, tiến hành thay đổi vị trí mặt phẳng ảnh của hệ thống bằng cách sử dụng hai phương pháp hiệu chỉnh: bằng tay và động cơ điện dịch chuyển bằng dẫn động cơ khí Để nâng cao độ nhậy hiệu chỉnh, đặc biệt phải đảm bảo trục quang của hệ thống không thay đổi, phương pháp này yêu cầu sử dụng cơ cấu chuyển động cơ khí phức tạp có độ chính xác cao Nguyên lý của phương pháp bù này đơn giản, dễ thực hiện Hình 4 là sơ đồ nguyên lý của phương pháp bù ảnh hưởng sự thay đổi nhiệt độ dạng chủ động cơ điện
Hình 4 Nguyên lý bù chủ động cơ điện
Trong hình 4 là sơ đồ hệ quang mà ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ được bù bằng phương pháp chủ động cơ điện, trong đó có sử dụng cảm biến nhiệt độ để đo nhiệt độ môi trường, sau đó truyền tín hiệu thu được từ cảm biến nhiệt độ đến bộ điều khiển Bộ điều khiển (hay thiết bị điều khiển) thông qua sự thay đổi của nhiệt
độ tính toán lượng dịch chuyển vị trí tương đối đồng thời truyền cho động cơ điện điều khiển và làm nó chuyển động, từ đó mà hoàn thành việc bù theo nguyên lý cơ điện chủ động
Phương pháp bù chủ động cơ điện có thể sử dụng cho các ống kính một trường nhìn, hai trường nhìn hoặc hệ thống Zoom liên tục, với nhiệt độ thay đổi trong dải rộng Dựa trên nguyên lý này, chúng ta sẽ tính toán lượng thay đổi chất lượng tạo ảnh của vật kính ảnh nhiệt khi nhiệt độ thay đổi dải rộng, để bù nhiệt bằng giải pháp chủ động cơ điện
Trang 63 TÍNH TOÁN SỰ THAY ĐỔI CHẤT LƯỢNG TẠO ẢNH CỦA VẬT KÍNH ẢNH NHIỆT KHI NHIỆT ĐỘ THAY ĐỔI VÀ TỰ ĐỘNG BÙ NHIỆT BẰNG
GIẢI PHÁP CHỦ ĐỘNG CƠ ĐIỆN
Việc bù nhiệt cho vật kính ảnh nhiệt bằng giải pháp chủ động cơ điện được tiến hành với một vật kính ảnh nhiệt đã được thiết kế tại nhiệt độ làm việc là 200C Sơ
đồ và các thông số kỹ thuật của nó được thể hiện trên bảng 2 Các thông số kết cấu của nó thể hiện trên bảng 3
Bảng 2 Sơ đồ và các thông số kỹ thuật của vật kính ảnh nhiệt thiết kế sẵn
Thông số kỹ thuật vật kính:
- Vùng phổ hoạt động: 8-14µm
- Tiêu cự: 80mm
- Thị giới: 9,70
- Số khẩu độ: F/1,1
- Nhiệt độ thiết kế: 200C
- kích thước phần tử thu ảnh của đầu thu : (17x17)µm
Bảng 3 Các thông số kết cấu của vật kính ảnh nhiệt
Bán kính thông quang
Cho rằng, trong điều kiện làm việc của mình, nhiệt độ của vật kính có thể thay đổi trong khoảng từ -100C đến 600C Trên hình 1.a là giá trị hàm MTF của vật kính tại các nhiệt độ làm việc khác nhau Dễ dàng nhận thấy rằng, tại 200C chất lượng ảnh của vật kính là khá tốt hệ số tương phản đạt k =0,45 và độ phân giải đạt 50 cặp vạch/mm, tuy nhiên, khi nhiệt độ làm việc thay đổi, chất lượng ảnh của vật kính giảm đi rất nhanh Tại các giá trị nhiệt độ -100
C và 600C hệ số tương phản k=0 và
độ phân giải chỉ đạt (8÷10) cặp vạch/mm, tức là độ phân giải của vật kính rất thấp Như vậy, có thể cho rằng, trong điều kiện nhiệt độ thay đổi thì vật kính trên không đạt yêu cầu về chất lượng tạo ảnh
Khi nhiệt độ thay đổi -100C thì lượng thay đổi giá trị quang sai defocus
làw201,5 , dẫn đến lượng thay đổi tiêu cự 0,26(mm) theo công thức:
Trang 70, 26( )
'
w20 ' 1, 5 * 8 * 4 * 0, 55 *10
2 8( '/ #)
mm
f
f f
Sử dụng phương pháp chủ động cơ điện (hình 4) với cảm biến nhiệt độ sẽ biết được giá trị nhiệt độ thay đổi tương ứng với lượng dịch chuyển thay đổi: mặt phẳng ảnh hoặc các thành phần trong hệ thống quang học đảm bảo chất lượng ảnh tốt nhất Vật kính này được thiết kế với mặt phẳng ảnh cố định, và thay đổi thấu kính cuối cùng dịch chuyển một lượng -0,17mm như bảng 4
Bảng 4 Các thông số kết cấu của vật kính ảnh nhiệt khi nhiệt độ là -10 0
C
Bán kính thông quang
Tương tự ở 600C lượng dịch chuyển mặt phẳng ảnh về phía trước hệ quang của
hệ quang vật kính -0,29mm và khoảng thay đổi thấu kính cuối cùng dịch chuyển một lượng -0,21mm như bảng 5
Bảng 5 Các thông số kết cấu của vật kính ảnh nhiệt khi nhiệt độ là 60 0
C
Bán kính thông quang
4 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
Hàm truyền MTF của vật kính tại các nhiệt độ làm việc khác nhau khi chưa bù nhiệt và khi thay đổi thành phần thấu kính bù nhiệt được thể hiện trên hình 5 Có
Trang 8thể thấy rằng, hàm MTF của vật kính tại nhiệt độ 200
C có hệ số tương phản cao, tần số vào khoảng 50 cặp vạch/mm Tuy nhiên, ở nhiệt độ -100
C và 600C , giá trị
hàm MTF của nó sụt giảm nhanh, tần số cắt chỉ đạt 10 cặp vạch/mm Khi thay đổi thành phần thấu kính cuối cùng trong hệ quang ở trên thì hàm MTF của nó có
hệ số tương phản đạt được rất đều trong toàn bộ dải nhiệt độ làm việc
( 10 C60 C)với tần số cắt được giữ nguyên như tại nhiệt độ 200
C là 50 cặp
vạch/mm
Hình 5 Hàm truyền MTF của vật kính khi chưa dịch chuyển thành phần thấu kính
(a) và khi dịch chuyển (b) tại các nhiệt độ làm việc khác nhau
5 KẾT LUẬN
Phương pháp bù nhiệt chủ động cơ điện (hình 4) đơn giản đảm bảo chất lượng ảnh đều trên toàn bộ dải nhiệt độ thay đổi của vật kính trong khoảng từ -100C đến
600C Kết quả thiết kế và so sánh đã chứng minh được hiệu quả của phương pháp
t =200C
C
số cặp vạch/mm
số cặp vạch/mm
số cặp vạch/mm
số cặp vạch/mm
số cặp vạch/mm
Trang 9trong việc bù ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ dải rộng lên chất lượng tạo ảnh của hệ quang vật kính trong thiết bị ảnh nhiệt
Lời cảm ơn: Nghiên cứu này được thực hiện nhờ sự hỗ trợ kinh phí của Đề tài nhiệm vụ cấp
Sở khoa học và công nghệ TP.HCM số: 105/2019/HĐ-QPTKHCN ngày 24/12/2019
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г Инфракрасные системы “смотрящего” типа М.: Логос, 2004
[2] Rogers, P J & Roberts, M (1995) “Thermal compensation Techniques” [3] Jamison T.H “Thermal effects in optical systems” // Opt Eng 1981 V 20 P
156−160
[4] G Muyo and A R Harvey “Wavefront Coding for Athermalization of Infrared Imaging Systems” 2004
[5] Goodman, J W “Introduction to Fourier Optics” 2nd edn, 1996
[6] H.H Hopkins, “Wave theory of aberrations” (University, London, 1950) [7] K H Brenner, A W Lohmann, and J Ojeda-Castaneda “The ambiguity function as a polar display of the OTF” Opt Commun 1983
ABSTRACT
THE THERMAL EFFECTS ON THE IMAGING QUALITY
OF THERMAL LENS AND SOLUTIONS
TO ACTIVE THERMAL COMPENSATION
In the paper, the theoretical basis for calculating the effect of wide-range environment temperature on the imaging quality of thermal lens is presented and the solutions to thermal compensate are provided When the temperature changes, the refractive index, the radius of curvature, the thickness and focal length of the objective system change; causing defocusing that reduces the image quality of the objective lens The active solution using electric motor with the temperature sensor calculates the temperature variation, and automatically compensate for the defocus generated by that change The results show that the use of the electric motor solution has ensured the image quality of the objective lens in the wide-range working temperature (-10 0 C60 0 C)
Keywords: Thermal objective; Defocus; Electric motor master.
Nhận bài ngày 11 tháng 02 năm 2020 Hoàn thiện ngày 27 tháng 7 năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 28 tháng 8 năm 2020
Địa chỉ: 1 Viện Vật lý kỹ thuật, Viện KHCN quân sự;
2 Viện Điện tử, Viện KHCN quân sự
* Email: hoanganhtuvlkt@gmail.com.
![Bảng 1. So sánh đặc trưng quang của một số vật liệu quang học thông thường và một số vật liệu hồng ngoại [1, 2] - Nghiên cứu, tính toán sự thay đổi chất lượng tạo ảnh của vật kính ảnh nhiệt khi nhiệt độ thay đổi và giải pháp chủ động cơ điện bù nhiệt](https://123doc.top/img.php?url=https%3A%2F%2F123docz.com%2Fimage%2Fdoc_normal.png)