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

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

1. 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
2. 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 yrr nu ynu và Iyni 2 (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: sinur ui2 và yy r (2) Qua đó, xác định được: y' 2yni r (3) 2#f - Kích thước của vết Narcissus đối với vật điểm trên trục được tính như sau: ' yr 4# ynf (4) - Tỷ lệ ii/' xác định kích thước ảnh Narcissus trên màn hình, với i' là góc tới của tia chính tại bề mặt phản xạ. Giá trị |YNI| và |i/i’| càng nhỏ thì hiệu ứng Narcissus càng rõ ràng. Muốn khống chế vết Narcissus thì cần kiểm soát được giá trị |YNI| và |i/i’ |.  Hiệu nhiệt độ tương đương do hiệu ứng Narcissus gây ra tại pixel i (trên đầu thu) do sự phản xạ trên tất cả các bề mặt quang học trong hệ thống quang học được kí hiệu là NITDi và được xác định theo các tài liệu [4, 7]. Công thức xác định giá trị NITD được dùng để mô phỏng 100 Đặng Chí Toàn, “Áp dụng phương pháp tối ưu quang học trong các thiết bị ảnh nhiệt.”
3. Nghiên cứu khoa học công nghệ vết Narcissus trong thiết kế không tuần tự trong phần mềm Zemax. 2.2. Các kĩ thuật để giảm hiệu ứng Narcissus 2.2.1. Mạ chống phản xạ Sử dụng các thiết kế mạ đa lớp để tăng hệ số truyền qua. Giải pháp này chưa thực sự hoàn hảo, giá thành sản phẩm tăng lên nhiều. 2.2.2. Sử dụng kỹ thuật NUC Áp dụng kĩ thuật hiệu chỉnh không đồng nhất (Non-Uniform Correction) các pixel để khử nhiễu Narcissus đối với các hệ ảnh nhiệt sử dụng đầu thu không làm lạnh [1, 2]. Kỹ thuật này không thể khử vết Narcissus một cách hoàn toàn triệt khi áp dụng cho các hệ ảnh nhiệt sử dụng đầu thu có làm lạnh hoặc vật kính ZOOM. 2.2.3. Sử dụng các bề mặt toán học đặc biệt Các bề mặt được thiết kế phi cầu với các hệ số Conic kết hợp biên dạng đặc biệt dạng Binary, hạn chế hoặc làm tán xạ tia sáng truyền theo chiều ngược lại. Phương pháp này làm tăng độ phức tạp và chi phí trong chế tạo, đo kiểm. 2.2.4. Tối ưu lại bán kính bề mặt thấu kính để khử Narcissus Kết hợp tối ưu các loại quang sai và tối ưu khử Narcissus để hạn chế triệt để mức độ ảnh hưởng của hiệu ứng Narcissus với giá trị ngưỡng của vết Narcissus là hệ số YNI = 0,229 [2]. Ngoài ra, giá trị |i’/i| càng nhỏ hơn 1 thì vết Narcissus càng tập trung năng lượng hơn. 2.3. Thiết kế tối ưu hệ quang nhằm khống chế vết Narcissus Để chứng minh hiệu quả của giải pháp, tác giả sử dụng một ví dụ hệ quang ảnh nhiệt 05 thành phần [2], có thông số hệ thống và tham số kết cấu như bảng 1, 2, bước sóng chính là 10 m . Bảng 1. Thông số hệ thống của hệ quang xuất phát. Bảng 2. Tham số kết cấu hệ quang ảnh nhiệt chưa tối ưu vết Narcissus. Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 74, 8 - 2021 101
4. Vật lý Hình 3. Hình ảnh kết cấu 2D của hệ quang ảnh nhiệt chưa tối ưu Narcissus. Hình 4. Biểu đồ MTF nhiễu xạ của hệ quang khi chưa tối ưu Narcissus. Sau khi tính toán, các giá trị đặc trưng cho vết Narcissus trên từng bề mặt thấu kính quang học được thể hiện như bảng 3 bên dưới. Bảng 3. Giá trị ảnh hưởng của Narcissus trên từng bề mặt các thấu kính. Theo bảng 3, bề mặt thứ 3 có hệ số YNI = 6,156*10-4 và bề mặt thứ 7 có giá trị YNI là 0,1504 là nhỏ hơn giá trị Narcissus ngưỡng cho phép. Giá trị |i/i’| tại bề mặt thứ 3 là 3,0729*10-4 nhỏ hơn khoảng 3000 lần so với 1, có thể khẳng định vết Narcissus do bề mặt thứ 3 là chủ yếu. Do đó, cần tập trung tối ưu vào 2 bề mặt này, có thể sử dụng kĩ thuật khống chế kích thước để tăng giá trị bán kính hai bề mặt này để giảm hiệu ứng phản xạ ngược, cho tới khi đạt giá trị YNI mong muốn. Tác giả lựa chọn sử dụng phần mềm SynOpSys để tối ưu vết Narcissus với cấu trúc lệnh tối ưu trong file Macro như hình 5. Hình 5. Hình ảnh file lệnh Macro chứa các lệnh tối ưu nhằm khống chế ảnh hưởng của vết Narcissus – phần mềm SynOpSys. 102 Đặng Chí Toàn, “Áp dụng phương pháp tối ưu quang học trong các thiết bị ảnh nhiệt.”
5. Nghiên cứu khoa học công nghệ Bảng 4. Thông số hệ thống của hệ quang sau tối ưu. Bảng 5. Tham số kết cấu hệ quang ảnh nhiệt sau tối ưu Narcissus. Bảng 6. Các giá trị đặc trưng mức độ ảnh hưởng của hiệu ứng Narcissus theo từng bề mặt thấu kính quang. Giá trị ảnh hưởng vết Narcissus theo bảng 6. Nhận thấy tại bề mặt 3 đạt YNI = 0,2353; bề mặt 7 đạt YNI = 0,2387 đều lớn hơn giá trị ngưỡng tối thiểu Narcissus như yêu cầu (0,229). Giá trị |i/i’| tại bề mặt thứ 3 cũng được cải thiện rõ rệt, tăng gấp 30 lần và giá trị |i/i’| tại bề mặt thứ 7 tăng gấp 3 lần. Xét kết cấu hệ thống và chất lượng hàm MTF nhiễu xạ của hệ sau tối ưu: Hình 6. Hình ảnh kết cấu hệ quang sau tối ưu Narcissus. Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 74, 8 - 2021 103
6. Vật lý Hình ảnh kết cấu hệ quang 2D trước và sau tương đồng, không thay đổi nhiều. Hình 7. Biểu đồ giá trị hàm MTF nhiễu xạ của hệ sau tối ưu Narcissus. Hàm truyền MTF nhiễu xạ của hệ (hình 7) vẫn đạt giá trị rất tốt, khá tiệm cận so với giới hạn nhiễu xạ lí thuyết, không thay đổi nhiều so với hàm MTF ở hình 4. Nhận xét: Sau quá trình tối ưu, kết quả cho thấy hiệu quả của giải pháp khống chế hiệu ứng Narcissus trong thiết kế hệ quang ảnh nhiệt cố định, thông số hệ thống và kết cấu hầu như không đổi. Đối với các hệ quang ảnh nhiệt zoom có làm lạnh, việc tối ưu khử Narsissus theo bán kính phải được tiến hành ở tất cả các cấu hình zoom sao cho đồng thời thỏa mãn được chất lượng hệ quang tại các trường nhìn khác nhau. Khi đó, để sử dụng phương pháp này, người thiết kế cần có kinh nghiệm tối ưu thấu kính của hệ đa cấu hình. 3. KẾT LUẬN Trên cơ sở lí thuyết hiện tượng phản xạ ngược và ảnh hưởng của hiệu ứng Narcissus đối với hệ quang ảnh nhiệt có làm lạnh, tác giả đã phân tích và đưa ra giải pháp thực hiện khống chế vết Narcissus trong quá trình tối ưu thiết kế hệ quang. Ví dụ về quá trình tối ưu đã chứng minh hiệu quả khống chế vết Narcissus mà không làm ảnh hưởng nhiều đến chất lượng ảnh cũng như tham số kết cấu của hệ thống. Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng ngay vào thực tiễn để làm giảm ảnh hưởng của vết Narcissus mà không cần sử dụng đến những công nghệ đắt tiền, giúp tiết kiệm giá thành sản phẩm cuối cùng. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Armande Pola Fossi, “Miniature and cooled hyperspectral camera for outdoor surveillance applications in the mid-infrared”, Optics Letters Vol. 41, Issue 9 (2016). [2]. Donald Dilworth, “Lens Design: Automatic and quasi-autonomous computational methods and techniques”, IOP Publishing Ltd, UK (2018). [3]. Yutaka Tokuda, “Aerial Imaging by Retro-Reflection with Transparent Retro-Reflector (AIRR with TRR)”, Journal of the Imaging Society of Japan, Vol. 56, No.4 (2017). [4]. Yang Liu, “Accurate and fast narcissus calculation based on sequential ray trace”, Applied Optics Vol. 52, Issue 33 (2013). [5]. Tao Liu, “Calculation and evaluation of narcissus for diffractive surfaces in infrared systems”, Applied Optics Vol. 50, Issue 16 (2011). 104 Đặng Chí Toàn, “Áp dụng phương pháp tối ưu quang học trong các thiết bị ảnh nhiệt.”
7. Nghiên cứu khoa học công nghệ [6]. M. Nadeem Akram, “Simulation and control of narcissus phenomenon using nonsequential ray tracing. I. Staring camera in ퟥ–ퟧ μ헆 waveband”, Applied Optics Vol. 49, Issue 6 (2010). [7]. S. J. Dobson, “Calculation and optimization of Narcissus using paraxial ray tracing”, Applied Optics Vol. 35, Issue 16 (1996). ABSTRACT APPLICATION OF OPTICAL OPTIMIZATION METHOD TO LIMIT THE NARCISSUS EFFECT IN THERMAL IMAGING DEVICES The objective of the study is the technical solution applied in the optical design and optimization process to limit the influence of the Narcissus effect. Thermal imaging systems using cooled thermal detectors are often greatly affected by the Narcissus effect, including both 3-5 µm [LWIR] region and 7-14 µm [LWIR] region. The image processing technique, non-uniformity correction (NUC), cannot completely work. The research results were calculated on the optical design software Zemax and Synopsys, which can be applied in a variety of thermal objective design for thermal binoculars, thermal scopes, thermal spectrophotometers, etc. Keywords: Optoelectronic; Thermal camera; Thermal sign; Cooled thermal detector; Narcissus effect. Nhận bài ngày 13 tháng 4 năm 2021 Hoàn thiện ngày 26 tháng 4 năm 2021 Chấp nhận đăng ngày 29 tháng 7 năm 2021 Địa chỉ: Viện Vũ Khí, Tổng Cục CNQP. *Email: dangchitoanchk28@gmail.com. Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 74, 8 - 2021 105