Áp dụng phương pháp tối ưu quang học hạn chế hiệu ứng narcissus trong các thiết bị ảnh nhiệt

Mục tiêu nghiên cứu là giải pháp kĩ thuật áp dụng trong quá trình thiết kế và tối ưu thiết kế quang học nhằm hạn chế ảnh hưởng của hiệu ứng Narcissus. Các hệ thống ảnh nhiệt sử dụng đầu thu có làm lạnh thường bị ảnh hưởng lớn bởi hiệu ứng Narcissus, kể cả đối với vùng phổ làm việc 3-5 µm [MWIR] cũng như vùng 7-14 µm [LWIR], các kĩ thuật xử lí ảnh được dùng để khử bất đồng nhất (NUC) không thể triệt tiêu hết.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Áp dụng phương pháp tối ưu quang học hạn chế hiệu ứng narcissus trong các thiết bị ảnh nhiệt Nghiên cứu khoa học công nghệ ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU QUANG HỌC HẠN CHẾ HIỆU ỨNG NARCISSUS TRONG CÁC THIẾT BỊ ẢNH NHIỆT Đặng Chí Toàn* Tóm tắt: Mục tiêu nghiên cứu là giải pháp kĩ thuật áp dụng trong quá trình thiết kế và tối ưu thiết kế quang học nhằm hạn chế ảnh hưởng của hiệu ứng Narcissus. Các hệ thống ảnh nhiệt sử dụng đầu thu có làm lạnh thường bị ảnh hưởng lớn bởi hiệu ứng Narcissus, kể cả đối với vùng phổ làm việc 3-5 µm [MWIR] cũng như vùng 7-14 µm [LWIR], các kĩ thuật xử lí ảnh được dùng để khử bất đồng nhất (NUC) không thể triệt tiêu hết. Các kết quả nghiên cứu được tính toán trên phần mềm thiết kế quang Zemax và Synopsys, có thể ứng dụng trong đa dạng các bài toán thiết kế vật kính ảnh nhiệt cho ống nhòm, kính ngắm, máy đo quang phổ,... Từ khóa: Quang điện tử; Ảnh nhiệt; Vật kính ảnh nhiệt; Đầu thu có làm lạnh; Hiệu ứng Narcissus. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Hiệu ứng Narcissus thường xuyên xuất hiện trong các hệ quang ảnh nhiệt, dải sóng làm việc từ 3-14 µm [1]. Vết Narcissus xảy ra khi tồn tại độ chênh lệch nhiệt độ giữa đầu thu và môi trường xung quanh. Các đầu thu có làm lạnh có mức độ chênh lệch nhiệt khoảng 200oK (tùy công nghệ), trong khi đó, độ nhạy nhiệt của các đầu thu ảnh nhiệt hiện nay thường rất nhỏ, thông thường dưới 50 mK [2, 3]. Do đó, hiệu ứng Narcissus xảy ra rất mạnh (hình 1), ảnh hưởng xấu đến chất lượng ảnh. Vết ảnh Narcissus được coi là một nguồn tín hiệu nhiễu của hệ thống nên chỉ có thể hạn chế hoặc khử bằng cách can thiệp vào thiết kế hệ thống như: mạ chống phản xạ, NUC, sử dụng các bề mặt toán học phức tạp (Binary,...), và giải pháp tính toán vết Narcissus song song với quá trình tối ưu bán kính từ khâu thiết kế hệ quang ảnh nhiệt. Bài báo này tập trung vào giải pháp tối ưu bán kính trong khâu thiết kế quang học nhằm hạn chế hiệu ứng Narcissus, có tính toán và mô phỏng trên phần mềm thiết kế quang. 2. NỘI DUNG CHÍNH 2.1. Tổng quan về hiệu ứng Narcissus Xét về bản chất, vết Narcissus là hệ quả của hiện tượng phản xạ ngược [4]. Dấu hiệu nhận biết hiệu ứng Narcissus là các vết ảnh có màu trắng/ đen trên màn ảnh, đó là hình ảnh phản chiếu của chính khối đầu thu trên các bề mặt chi tiết quang phía vật kính, nơi mà độ bóng bề mặt sinh ra hệ số phản xạ không mong muốn [3, 5]. a) b) Hình 1. Hình ảnh so sánh chất lượng ảnh trước (a) và sau khi áp dụng kĩ thuật khử hiệu ứng Narcissus (b). Khi chưa áp dụng các giải pháp kĩ thuật để hạn chế, vết ảnh Narcissus xuất hiện rất phổ biến, ngay cả đối với các hệ camera ảnh nhiệt sử dụng đầu thu không làm lạnh (khi chưa NUC), tuy nhiên, mức độ rõ ràng và càng nghiêm trọng khi tăng mức độ chênh lệch nhiệt độ giữa đầu thu Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 74, 8 - 2021 99 Vật lý và khối vật kính. Dấu hiệu nhận biết chính là các vết “bóng mờ” (bóng ma) có màu trắng hoặc đen xuất hiện bất thường, không bị ảnh hưởng khi thay đổi không gian vật, như hình 1 (a) [1]. Các vết ảnh Narcissus có hình dáng, kích thước, độ đậm nhạt khác nhau phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: tham số kết cấu của từng hệ quang, hệ số phản xạ bề mặt các chi tiết quang của cụm vật kính, kích thước đầu thu, mức độ chênh lệch nhiệt độ giữa đầu thu và phần còn lại của hệ quang [6]. Hình 2. Tính toán đường truyền tia phản xạ ngược (Narcissus) tại một bề mặt [4]. Phương pháp đánh giá mức độ ảnh hưởng của hiệu ứng Narcissus:  Thông qua thông số cận trục YNI và tỉ lệ i/i có thể đánh giá sơ bộ đóng góp của từng bề mặt trong hệ quang lên hiệu ứng Narcissus. Trong đó, thông số YNI (tích của các đại lượng y, n, i) ở bề mặt khúc xạ, được xác định qua bất biến Lagrange như sau [7]: I  yr nu  ynur và I  2 yni (1) Trong đó: I – Bất biến Lagrange; y , yr - Chiều cao của tia biên xuất phát từ vật điểm thuộc quang trục đi qua mép của đường kính khẩu độ của bề mặt đang xét và của tia biên khẩu độ theo đường truyền ngược phản xạ tại tiêu diện; n – Chiết suất; u, ur – Góc tới của tia biên khẩu độ xuất phát từ một vật điểm trên trục và của tia biên phản xạ trở lại tiêu diện; i – Góc tới của tia biên phản xạ trở lại đầu thu. Mặt khác: sinu r  u  2i và y  yr (2) Qua đó, xác định được: yr 2 yni  (3) ...