Thiết kế hệ thống quang học cho vật kính của camera hoạt động trong vùng phổ hồng ngoại ngắn

Bài viết trình bày việc tính toán các thông số và thiết kế hệ thống quang học trong vật kính của camera hoạt động trong vùng phổ hồng ngoại ngắn (từ 0.9 đến 1.7 µm). Hệ quang được thiết kế cho chất lượng tạo ảnh tốt trong toàn bộ vùng phổ với độ phân giải cao (150 cặp vạch/mm).
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Thiết kế hệ thống quang học cho vật kính của camera hoạt động trong vùng phổ hồng ngoại ngắnNghiên cứu khoa học công nghệ THIẾT KẾ HỆ THỐNG QUANG HỌC CHO VẬT KÍNH CỦACAMERA HOẠT ĐỘNG TRONG VÙNG PHỔ HỒNG NGOẠI NGẮN Nguyễn Quang Hiệp1*, Hoàng Đình Nguyên2 Tóm tắt: Bài báo trình bày việc tính toán các thông số và thiết kế hệ thống quang học trong vật kính của camera hoạt động trong vùng phổ hồng ngoại ngắn (từ 0.9 đến 1.7 µm). Hệ quang được thiết kế cho chất lượng tạo ảnh tốt trong toàn bộ vùng phổ với độ phân giải cao (150 cặp vạch/mm). Lớp mạ truyền qua được thiết kế và đảm bảo yêu cầu nâng cao độ truyền qua của hệ quang (từ 62% lên đến 95%).Từ khóa: Camera quan sát; Vật kính; Vùng phổ hồng ngoại ngắn; Lớp mạ giảm phản xạ. 1. MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, bên cạnh sự phát triển của các khí tài quan sát đêm sử dụngống khuếch đại ánh sáng (Image Intensifier Tube (IIT)) và các khí tài ảnh nhiệt thì các hệthống quang điện tử hoạt động trong vùng phổ hồng ngoại ngắn (SWIR) ngày càng nhậnđược sự chú ý nhiều hơn [1, 2]. Điều này xuất phát từ các nguyên nhân sau. Thứ nhất,trong điều kiện đêm tối, đặc biệt khi không có ánh sáng trăng sao thì dải phổ phát xạ củabầu khí quyển tập trung chủ yếu trong vùng phổ SWIR, vì vậy, về mặt năng lượng, khí tàihoạt động trong vùng phổ SWIR sẽ có ưu điểm hơn so với khí tài nhìn đêm sử IIT. Thứhai, nếu như khí tài ảnh nhiệt chỉ hoạt động trong điều kiện phải có sự chênh lệch về nhiệtđộ bức xạ giữa mục tiêu và phông nền, trong khi khí tài hoạt động trong vùng phổ SWIRhoạt động trên cơ sở thu nhận bức xạ được mục tiêu phản xạ lại, do đó khả năng định dạng(recognition) và định danh (identification) mục tiêu của nó tốt hơn. Thứ ba, trong các hệthống quang điện tử điều khiển từ xa hoạt động theo nguyên lý nhìn đêm khuếch đại ánhsáng mờ có sử dụng IIT thì bắt buộc phải có bộ chuyển đổi ảnh từ màn ảnh của IIT sangmặt phẳng cảm biến CCD/CMOS, điều này là không cần thiết đối với các hệ thống dùngđầu thu ma trận InGaAs hoạt động trong vùng phổ SWIR. Hơn thế nữa, hầu hết các vậtliệu thủy tinh quang học thông thường có vùng phổ truyền qua kéo dài từ vùng nhìn thấycho đến cận hồng ngoại trung (từ 0.4 đến 2 µm), do đó, việc lựa chọn vật liệu và tính côngnghệ khi gia công hệ thống quang học cho các khí tài hoạt động trong vùng phổ SWIRkhông phức tạp như đối với các khí tài ảnh nhiệt. Ngày nay, trên cơ sở của sự phát triển không ngừng của công nghệ vật liệu và côngnghệ bán dẫn nên chất lượng của đầu thu ma trận hoạt động trong vùng phổ SWIR trên cơsở InGaAs, đặc biệt là độ phân giải, kích thước pixel, độ nhạy ngưỡng, ngày càng đượcnâng cao. Bên cạnh đó, khi nhu cầu tăng lên thì giá thành của đầu thu nói riêng và hệthống quang điện tử hoạt động trong vùng phổ SWIR nói chung sẽ trở nên cạnh tranh hơnso với các hệ thống quang điện tử hoạt động ở các vùng phổ khác. Vì vậy, việc nghiên cứuvà thiết kế hệ thống quang học cho vật kính của camera quan sát hoạt động trong vùng phổSWIR là vấn đề mang tính cấp thiết. Đây là vấn đề còn chưa được tập trung nghiên cứu ởViệt Nam. 2. XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ VẬT KÍNH Hệ thống quang học cần thiết kế là vật kính của camera dùng để quan sát. Cự ly địnhdạng mục tiêu người đứng thằng là 700m. Đầu thu bức xạ quang học trong vùng phổSWIR đã được lựa chọn trước với các thông số như sau: độ phân giải 640x512 pixel,kích thước pixel ∆d=25µm, khả năng phát hiện riêng trung bình D*=4.2x1013 (W-1 .cm.Hz1/2), độ rọi ngưỡng trên mặt phẳng đầu thu NEI = 2,1·108 photons/cm2.s, tần sốkhung hình 50Hz.Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 55, 06 - 2018 121 Vật lý Theo tiêu chuẩn Johnson, để định dạng được mục tiêu người có kích thước hiệu dụng làH=0.75m tại cự ly L=700m với xác suất là 0.5 thì ảnh của mục tiêu trên đầu thu phảichiếm ít nhất 4 pixel, tức là: H. f   4.d Ltrong đó, f’ là tiêu cự của vật kính. Từ đó, suy ra: 4.d .L 4.25.103.700.102 f   93 mm H 0, 75.102 Chọn f’=100mm. Thị giới làm việc của vật kính, khi đó được xác định như sau: a 2  b2 2  arctg ( )  11.7 0 ftrong đó: a, b là kích thước của đầu thu. Đường kính đồng tử vào của hệ quang trong vật kính được xác định theo công thức sau[3]: 4. Adt .f DDTV  ...