Nghiên cứu thiết kế mặt nạ pha bù ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ trong hệ quang của vật kính ảnh nhiệt

Bài viết trình bày cơ sở lý thuyết và kết quả thiết kế mặt nạ pha bậc 3 bù ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ lên chất lượng tạo ảnh của vật kính ảnh nhiệt. Khi nhiệt độ thay đổi dẫn đến tiêu cự của vật kính thay đổi, gây ra lượng defocus.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu thiết kế mặt nạ pha bù ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ trong hệ quang của vật kính ảnh nhiệt Nghiên cứu khoa học công nghệ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MẶT NẠ PHA BÙ ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ THAY ĐỔI NHIỆT ĐỘ TRONG HỆ QUANG CỦA VẬT KÍNH ẢNH NHIỆT Hoàng Anh Tú1*, Nguyễn Quang Hiệp2 Tóm tắt: Bài báo trình bày cơ sở lý thuyết và kết quả thiết kế mặt nạ pha bậc 3 bù ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ lên chất lượng tạo ảnh của vật kính ảnh nhiệt. Khi nhiệt độ thay đổi dẫn đến tiêu cự của vật kính thay đổi, gây ra lượng defocus. Mặt nạ pha biến đổi pha của mặt sóng đến để bù lại lượng defocus sinh ra do sự thay đổi nhiệt độ. Kết quả thiết kế cho thấy, việc sử dụng mặt nạ pha có thông số phù hợp cho một vật kính ảnh nhiệt đảm bảo chất lượng ảnh của nó được giữ nguyên trong dải nhiệt độ làm việc tương đối lớn (-200C ÷ 600C). Từ khóa: Vật kính ảnh nhiệt; Defocus; Mặt nạ pha. 1. MỞ ĐẦU Vật kính trong hệ quang của thiết bị ảnh nhiệt có chức năng chính là tạo ảnh trong vùng phổ hồng ngoại của mục tiêu trên đầu thu bức xạ. Các vật liệu thường dùng để chế tạo vật kính ảnh nhiệt như Ge, ZnS.. 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]. Vì vậy, khi TBAN hoạt động trong điều kiện nhiệt độ thay đổi sẽ dẫn đến sự xuất hiện lượng defocus nhất định và chất lượng ảnh sẽ giảm đi rõ rệt. Lượng defocus này có thể được bù bằng một số phương pháp như: dịch chuyển thành phần vật kính, lựa chọn vật liệu cơ khí vật kính, lựa chọn vật liệu gia công quang học. Ngoài ra, có thể dùng mặt na pha để bù lượng defocus sinh ra do sự thay đổi nhiệt độ trong vật kính ảnh nhiệt [3, 4]. Về nguyên lý làm việc, mặt nạ pha đóng vai trò như một linh kiện quang học, nó có chức năng tạo ra độ lệch pha của mặt sóng đến, từ đó dẫn đến sự thay đổi vị trí mặt phẳng ảnh. Bài báo này sẽ trình bày cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế mặt nạ pha bù ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt lên chất lượng tạo ảnh của vật kính trong TBAN. 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Lượng defocus sinh ra do sự thay đổi nhiệt độ Xét trường hợp vật kính được cấu tạo từ một thành phần đơn, khi nhiệt độ làm việc thay đổi một khoảng T thì tiêu cự biến thiên một lượng [1]: f   (T ) f  (1) dn / dT  ( ) L (2) n 1 Trong đó, f  là tiêu cự của thấu kính tại nhiệt độ ban đầu T0 ;  là hằng số quang nhiệt; dn / dT là hệ số chiết suất nhiệt;  L là hệ số giãn nở nhiệt. Khi tiêu cự của vật kính thay đổi lượng f  lượng defocus tương ứng như sau [4]: w 20  f / 8( F / #) 2 (3) Trong đó: F / # là số khẩu độ của vật kính, w 20 là hệ số defocus. 2.2. Nguyên lý bù ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ bằng mặt nạ pha Để đơn giản trong tính toán, xét hàm đồng tử và hàm mặt nạ pha là các hàm một chiều và mặt nạ pha được đặt tại vị trí đồng tử của hệ quang. Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 49, 06 - 2017 173  Vật lý Phương trình hàm đồng tử khi chưa có sự thay đổi nhiệt độ và không có mặt nạ pha được biểu diễn ở dạng lý tưởng như sau: 1 if x  1 P0 ( x)   0 if x  1 với x là tọa độ chuẩn hóa trong mặt phẳng đồng tử. Khi vật kính làm việc trong điều kiện nhiệt độ thay đổi sẽ xuất hiện lượng defocus. Lượng defocus nay được coi là kết quả tác động lên pha của bề mặt sóng tới tại đồng tử theo hàm số [5]: T ( x)  exp( j x 2 ) trong đó,  là thông số defocus, thông số này có mối liên hệ với lượng defocus w 20 như sau:   kw20 , với k là số sóng. Nếu như tại vị trí đồng tử đặt thêm mặt nạ pha có dạng P ( x) thì phương trình hàm đồng tử tổng quát sẽ có dạng như sau: Q( x)  P0 ( x).P( x).T ( x) Hàm truyền OTF của vật kính khi đó được biểu diễn dưới dạng [5]:   u  u u  u H (u , )   Q( x  2 )Q ( x  2 )dx =  {P( x  2 ).P ( x  2 ) exp( j 2 xu )dx ...