Nghiên cứu thiết kế hệ thống quang học cho vật kính ảnh nhiệt tự bù ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ

Bài viết trình bày các bước thiết kế vật kính của khí tài ảnh nhiệt hoạt động trong vùng phổ từ 8 đến 12 um , trong đó có sử dụng phương pháp quang học thụ động để bù ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ lên chất lượng tạo ảnh của vật kính.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu thiết kế hệ thống quang học cho vật kính ảnh nhiệt tự bù ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ Nghiên cứu khoa học công nghệ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG QUANG HỌC CHO VẬT KÍNH ẢNH NHIỆT TỰ BÙ ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ THAY ĐỔI NHIỆT ĐỘ Nguyễn Quang Hiệp1* Tóm tắt: Bài báo trình bày các bước thiết kế vật kính của khí tài ảnh nhiệt hoạt động trong vùng phổ từ 8 đến 12  m , trong đó có sử dụng phương pháp quang học thụ động để bù ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ lên chất lượng tạo ảnh của vật kính. Trên cơ sở đó, đã thiết kế vật kính khí tài ảnh nhiệt có chất lượng tạo ảnh tốt trong toàn bộ phạm vi thay đổi nhiệt độ từ 100 C đến 500 C. Từ khóa: Vật kính ảnh nhiệt, Phương pháp quang học thụ động. 1. MỞ ĐẦU Khí tài ảnh nhiệt (KTAN) là thiết bị quang điện tử hoạt động trên cơ sở tiếp nhận và biến đổi bức xạ hồng ngoại của chính mục tiêu phát ra thành ảnh trong vùng nhìn thấy. Do những ưu điểm vượt trội của KTAN so với các thiết bị quang điện tử khác như khả năng làm việc trong bất kỳ điều kiện thời tiết nào, ban ngày cũng như ban đêm nên chúng ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong quốc phòng, an ninh [1, 2]. Một trong những vấn đề khi thiết kế hệ thống quang học cho vật kính của KTAN, đặc biệt đối với các khí tài hoạt động trong vùng phổ từ 8 đến 12  m , là bên cạnh số lượng vật liệu có hệ số truyền qua cao trong vùng phổ đó không nhiều thì các tính chất nhiệt của chúng như hệ số giãn nở nhiệt, hệ số chiết suất nhiệt và hằng số quang nhiệt lại có giá trị tương đối lớn so với các loại vật liệu được dùng để thiết kế hệ thống quang học hoạt động trong vùng nhìn thấy [1]. Vì vậy, khi vật kính ảnh nhiệt hoạt động trong điều kiện nhiệt độ thay đổi sẽ xuất hiện lượng defocus và chất lượng ảnh giảm đi rõ rệt. Do đó, khi thiết kế hệ thống quang học cho vật kính của KTAN hoạt động trong vùng phổ từ 8 đến 12  m cần thiết phải chú ý đến việc sử dụng các biện pháp bù ảnh hưởng của sự thay đổi của nhiệt độ lên chất lượng tạo ảnh của vật kính [1-3]. So với các phương pháp bù ảnh hưởng của sự thay đổi của nhiệt độ được dùng trong các vật kính KTAN hoạt động trong vùng phổ từ 8 đến 12  m khác như phương pháp cơ điện chủ động và phương pháp cơ khí thụ động thì phương pháp quang học thụ động có nhiều ưu điểm như: không làm phức tạp hóa kết cấu quang-cơ của vật kính; không sử dụng thêm các cơ cấu phụ, từ đó không làm tăng khối lượng, kích thước của vật kính, bảo toàn độ tin cậy của vật kính. Phương pháp này dựa trên việc lựa chọn tổ hợp vật liệu và sự phân bố độ tụ hợp lý giữa các thành phần của vật kính mà ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ lên chất lượng tạo ảnh của vật kính được giảm đi một cách đáng kể [4-7]. Đây chính Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 47, 02 - 2017 133  Vật lý là phương pháp được lựa chọn trong bài báo này để thiết kế hệ thống quang học cho vật kính của KTAN hoạt động trong vùng phổ từ 8 đến 12  m . 2. XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ KÍCH THƯỚC CỦA VẬT KÍNH Đầu thu bức xạ quang học của KTAN hoạt động trong vùng phổ từ 8 đến 12  m có hai loại chính, đó là đầu thu microbolometer và đầu thu pyroelectric. Để thiết kế vật kính cho KTAN ta chọn loại đầu thu microbolometer có các thông số chính sau: - Độ phân giải: 640x480. - Kích thước pixel: 25  m x 25  m . - Khả năng phát hiện riêng trung bình D*=2x1010 (W-1.cm.Hz1/2). - Tần số khung hình: 30Hz Đây chính là đầu thu trong KTAN hiện có tại bộ môn Khí tài quang học – Khoa Vũ khí – Học viện KTQS. Các thông số kích thước của vật kính sẽ được xác định từ phương trình biểu diễn một trong những thông số chất lượng thông dụng nhất của KTAN đó là hiệu nhiệt độ tương đương nhiễu Tng . Giả sử KTAN hoạt động trong điều kiện mục tiêu ở xa vô cùng, có kích thước hữu hạn, ảnh của mục tiêu che khuất toàn bộ diện tích nhạy sáng của đầu thu, thành phần nhiễu chính của KTAN chính là nhiễu của bản thân đầu thu, mục tiêu là vật đen tuyệt đối có nhiệt độ là T. Khi đó, mật độ phổ thông lượng bức xạ đến đầu thu được xác định bằng biểu thức sau [8]: L( , T ) at ( ) hq ( ) Amt ADTV M ( , T )  ( , T )  2   at ( ) hq ( ) ADTV  (1) R  trong đó: L( , T ) và M ( , T ) lần lượt là mật độ phổ độ chói và mật độ phổ độ trưng năng lượng của mục tiêu;  at ( ) và  hq ( ) lần lượt là độ truyền qua của khí quyển và độ truyền qua của vật kính; Amt là diện tích mục tiêu; ADTV là diện tích đồng tử vào của vật kính;  và  là kích thước góc của đầu thu. Phản ứng của đầu thu được xác ...