NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH THIẾT BỊ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG TẠO ẢNH CỦA HỆ THỐNG QUANG HỌC LÀM VIỆC TRONG VÙNG HỒNG NGOẠI 812 µm

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH THIẾT BỊ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG TẠO ẢNH CỦA HỆ THỐNG QUANG HỌC LÀM VIỆC TRONG VÙNG HỒNG NGOẠI 812 µm NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH THIẾT BỊ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG TẠO ẢNH CỦA HỆ THỐNG QUANG HỌC LÀM VIỆC TRONG VÙNG HỒNG NGOẠI 812 µm NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH THIẾT BỊ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG TẠO ẢNH CỦA HỆ THỐNG QUANG HỌC LÀM VIỆC TRONG VÙNG HỒNG NGOẠI 812 µm NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH THIẾT BỊ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG TẠO ẢNH CỦA HỆ THỐNG QUANG HỌC LÀM VIỆC TRONG VÙNG HỒNG NGOẠI 812 µm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ TRẦN ANH QUANG NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP VÀ XÂY DỰNG MƠ HÌNH THIẾT BỊ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG TẠO ẢNH CỦA HỆ THỐNG QUANG HỌC LÀM VIỆC TRONG VÙNG HỒNG NGOẠI 8-12 µm Chuyên ngành: Kỹ thuật khí Mã số: 9.52.01.03 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2023 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI HỌC VIỆN KỸ THUẬT QN SỰ - BỘ QUỐC PHÕNG Người hướng dẫn khoa học 1: TS Lê Duy Tuấn Người hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS Lê Hoàng Hải Phản biện 1: PGS TS Đinh Văn Trung Phản biện 2: PGS TS Vũ Toàn Thắng Phản biện 3: TS Ngô Ngọc Anh Luận án bảo vệ Hội đồng đánh giá luận án cấp Học viện theo định số: 1775/QĐ-HV, ngày 18 tháng 04 năm 2023 Giám đốc Học viện Kỹ thuật Quân sự, họp Học viện Kỹ thuật Quân vào hồi… giờ… ngày… tháng… năm 2023 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Học viện Kỹ thuật Quân - Thư viện Quốc gia DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ Tran Anh Quang, Le Duy Tuan, Le Hoang Hai, Le Van Nhu (2020), “Design and manufacture of a microscope objective used to test optical systems working in the spectral region of 8ữ12 àm, 6th Academic Conference On Natural Science for Young Scientists, Master & Phd Students from Asean Countries, ISBN: 978604-913-088-5 Le Duy Tuan, Tran Anh Quang, Le Hoang Hai (2021), “Design and manufacture of a collimator used to test thermal imaging lenses working in the spectral region of 8÷12 µm”, The 11th International Conference On Photonics and Applications, ISBN: 978-604-9988-20-2 Trần Anh Quang, Lê Hoàng Hải, Phạm Văn Quân, Lê Duy Tuấn, Trần Xuân Diệu (2021), “Phân tích biến dạng mặt gương tác dụng hệ lực gá kẹp ứng dụng thiết kế kết cấu cụm gương ống chuẩn trực hồng ngoại”, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Cơng nghệ qn sự, ISSN: 1859 - 1043 Tran Anh Quang, Le Duy Tuan, Le Hoang Hai (2022), “Optical setup for evaluating image quality of thermal imaging lenses working in the spectral region of 8ữ12 àm, Tp Nghiờn cu Khoa hc Công nghệ quân sự, ISSN 1859 - 1043 Tuan Duy Le, Quang Anh Tran*, Si Van Do, Hai Hoang Le, Duong Van Ta (2022), “Method for determining the wavefront aberration of deformed optical components under external forces”, https://doi.org/10.1117/1.OE.61.11.115104 Optical Engineering (ISI-Q2), MỞ ĐẦU Tính cấp thiết luận án Ngày nay, thiết bị quang điện tử trở nên phổ biến hầu hết lĩnh vực, quân đội nhằm phục vụ mục đích khác Trong đó, thiết bị ảnh nhiệt (TBAN) xu công nghệ kỹ thuật quân giới, coi thiết bị tiên tiến Chúng làm việc vùng hồng ngoại bước sóng trung (3 – m) bước sóng dài (8 – 12 m) Đặc biệt, nhờ độ nhạy cao với xạ nhiệt phát từ thân đối tượng khả phân biệt chênh lệch nhiệt độ nhỏ tới cỡ vài chục mili-Kelvin mà TBAN ứng dụng nhiều lĩnh vực, đặc biệt quân Đây thiết bị nhà khoa học kỹ thuật nước đặc biệt quan tâm, ln tìm hướng phát triển kỹ thuật cơng nghệ chế tạo Song song với phát triển TBAN, vấn đề quan trọng khơng phát triển thiết bị đo lường ảnh nhiệt Trên giới, có thiết bị đánh giá chất lượng ảnh ống kính ảnh nhiệt thương mại hóa số hãng tiếng như: Optikos, Trioptics có chất lượng tốt, kết đo tin cậy, nhiên, giá thành cao Ở nước chưa có phịng thí nghiệm, trung tâm nghiên cứu hay nhà máy sản xuất quang học nước trang bị thiết bị đo ống kính ảnh nhiệt phục vụ nghiên cứu, xây dựng phát triển công nghệ ảnh nhiệt nước Do vậy, “Nghiên cứu phương pháp xây dựng mơ hình thiết bị đánh giá chất lượng tạo ảnh hệ thống quang học làm việc vùng hồng ngoại 8-12 µm” luận án cần thiết, có ý nghĩa khoa học thực tiễn cao Mục tiêu nghiên cứu luận án Xây dựng giải pháp mơ hình thiết bị nhằm đánh giá chất lượng tạo ảnh hệ thống quang học (HTQH) ảnh nhiệt làm việc vùng phổ hồng ngoại 8-12 μm Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Mơ hình thiết bị đánh giá chất lượng tạo ảnh HTQH làm việc vùng hồng ngoại 8-12 μm Phạm vi nghiên cứu: HTQH làm việc vùng phổ hồng ngoại 8-12 μm Các đóng góp luận án - Đề xuất phương pháp luận khoa học để tính ảnh hưởng cấu gá lắp đến quang sai mặt sóng linh kiện quang học - Xây dựng giải pháp mơ hình thiết bị đo kiểm HTQH làm việc vùng hồng ngoại 8-12 µm - Xây dựng phần mềm xử lý ảnh xác định hàm LSF, MTF HTQH cần kiểm tra Cấu trúc luận án Cấu trúc luận án gồm: Phần mở đầu, bốn chương, phần kết luận: Mở đầu: Trình bày tính cấp thiết, mục đích, nội dung nghiên cứu, đối tượng, phạm vi phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Chương Tổng quan thiết bị ảnh nhiệt vấn đề đánh giá chất lượng tạo ảnh hệ thống quang học làm việc vùng phổ hồng ngoại: Trình bày số vấn đề chung TBAN; phương pháp đánh giá chất lượng ảnh hệ thống quang học ảnh nhiệt; nguyên lý hoạt động yêu cầu thành phần hệ thống đánh giá chất lượng ảnh HTQH ảnh nhiệt; ảnh hưởng cấu gá lắp đến chất lượng hoạt động hệ thống Chương Phương pháp tính ảnh hưởng kết cấu gá lắp đến quang sai mặt sóng linh kiện quang học: Đề xuất phương pháp tính ảnh hưởng cấu gá lắp khí đến quang sai mặt sóng linh kiện quang học Bằng cách sử dụng phần mềm ANSYS để tính chuyển vị điểm nút bề mặt linh kiện, kết hợp với làm khớp biên dạng bề mặt linh kiện để tính hệ số đa thức Zernike Standard, từ xác định quang sai mặt sóng linh kiện phần mềm Zemax Chương Xây dựng mơ hình thiết bị đánh giá chất lượng tạo ảnh HTQH làm việc vùng phổ hồng ngoại -12 µm: Trình bày bước thiết kế, chế tạo tối ưu hóa thành phần hệ thống đánh giá chất lượng ảnh hệ chuẩn trực vật kính hiển vi Chương Các kết thực nghiệm: Trình bày thử nghiệm hoạt động thành phần toàn hệ thống mơ hình thiết bị Đồng thời, đề cập đến thuật toán xử lý kết đo hàm LSF, MTF HTQH ảnh nhiệt cần kiểm tra; phân tích, đánh giá kết yếu tố ảnh hưởng đến kết đo Kết luận hướng phát triển luận án: Trình bày kết hướng phát triển luận án mà tác giả rút từ nội dung nghiên cứu Chương TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ ẢNH NHIỆT VÀ VẤN ĐỀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG TẠO ẢNH CỦA HỆ THỐNG QUANG HỌC LÀM VIỆC TRONG VÙNG PHỔ HỒNG NGOẠI 1.1 Tổng quan thiết bị ảnh nhiệt Hệ thống ảnh nhiệt thiết bị dùng để quan sát vật theo khả xạ riêng vật khác biệt khả xạ riêng chúng Nguyên lý hoạt động TBAN xây dựng sở biến đổi xạ nhiệt khơng gian vật khơng nhìn thấy mắt thường thành tín hiệu điện, sau tái tạo hình để quan sát Cho tới TBAN trải qua ba hệ phát triển, hệ thứ III hệ ảnh nhiệt dùng đến hệ quét quang, tạo ảnh chất lượng cao, phận thu ma trận kiểu mạng phẳng hội tụ có đến hàng vạn phần tử thu (pixel) với nhiều cấu hình khác nhau: 128x128, 256x256, 320x240…TBAN hệ III cho mục đích quân thường bị kiểm sốt chặt chẽ với sách cấm xuất ngặt nghèo sang nước khác Hiện nay, hệ thống TBAN phục vụ mục đích trinh sát ngày hồn thiện, đại tính đa cao * Nguyên lý hoạt động thiết bị ảnh nhiệt: Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý thiết bị ảnh nhiệt Tương tự camera thông thường, nguyên lý làm việc cấu tạo chung, TBAN gồm hai thành phần đầu thu ảnh nhiệt ống kính tạo ảnh, cho phép thu nhận xạ nhiệt mục tiêu phát dựng lại phân bố nhiệt độ thành hình ảnh (ảnh nhiệt) mà mắt người quan sát hình hiển thị (Hình 1.1) 1.2 Các phương pháp đánh giá chất lượng ảnh HTQH ảnh nhiệt Hiện nay, để đánh giá chất lượng ảnh HTQH ảnh nhiệt người ta chia làm 04 phương pháp chính, bao gồm: • Phương pháp đo hàm nhịe điểm (PSF) • Phương pháp đo hàm nhòe đường (LSF) • Phương pháp đo hàm nhịe cạnh (ESF) • Phương pháp đo hàm truyền điều biến (MTF) Đây hàm đặc trưng để đánh giá chất lượng ảnh HTQH ảnh nhiệt Tuy nhiên, để kiểm tra, đánh giá chất lượng HTQH cách xác trực quan người ta thường đánh giá thông qua hàm truyền điều biến MTF chúng đo gián tiếp thông qua phương pháp đo hàm PSF, LSF, ESF Do vậy, phương pháp đo hàm PSF, hàm LSF, hàm ESF thực chất cuối đưa tính hàm truyền MTF để đánh giá chất lượng ảnh Qua tìm hiểu, nước ta chưa có cơng trình nghiên cứu đánh giá chất lượng ảnh HTQH làm việc vùng phổ hồng ngoại, nghiên cứu luận án nghiên cứu nước 1.3 Lựa chọn phương án xây dựng mơ hình thiết bị đánh giá chất lượng ảnh HTQH ảnh nhiệt Luận án lựa chọn phương án xây dựng mơ hình thiết bị đánh giá chất lượng ảnh HTQH ảnh nhiệt sau: - Về phương pháp: Chọn phương pháp đo hàm nhòe đường LSF để đánh giá chất lượng tạo ảnh HTQH ảnh nhiệt - Về mơ hình thiết bị: Chọn mơ hình dùng hệ chuẩn trực phản xạ ưu điểm lớn hệ dải phổ làm việc rộng, khơng có sắc sai, giá thành hợp lý phù hợp với điều kiện công nghệ Việt Nam 1.4 Yêu cầu thành phần hệ thống đánh giá chất lượng ảnh HTQH hồng ngoại Các thành phần yêu cầu thiết bị kiểm tra HTQH ảnh nhiệt công bố tài liệu tham khảo tiêu chuẩn quốc tế Tuy nhiên, cịn yếu tố có ảnh hưởng lớn đến chất lượng hoạt động HTQH giới Việt Nam chưa có quan tâm nghiên cứu phương pháp khoa học để tính tốn ảnh hưởng kết cấu gá lắp đến quang sai mặt sóng linh kiện quang học hệ thống Để hệ thống hoạt động tốt, linh kiện phải gia công với độ xác cao, đồng thời kết cấu khí gá lắp phải đảm bảo không gây biến dạng đáng kể đến bề mặt làm việc linh kiện Đây yếu tố khó tính tốn đo lường ảnh hưởng đáng kể lực gá kẹp nhỏ Thực tế, bề mặt linh kiện bị biến dạng, phần tử bề mặt chuyển vị với giá trị vài trăm nano mét ảnh hưởng đến chất lượng hoạt động tồn hệ thống Vì vậy, việc tính tốn ảnh hưởng cấu gá khí đến quang sai mặt sóng linh kiện tốn quan trọng, làm sở cho tính tốn, thiết kế khí phù hợp toàn hệ thống 1.5 Kết luận Luận án nghiên cứu, tìm hiểu số vấn đề TBAN phân tích ưu, nhược điểm phương pháp đánh giá chất lượng ảnh HTQH ảnh nhiệt, từ lựa chọn phương pháp đo hàm nhịe đường LSF để xây dựng mơ hình thiết bị Về mặt thiết bị, tác giả lựa chọn mơ hình thiết bị dùng hệ chuẩn trực phản xạ làm phương án xây dựng mơ hình Đồng thời, tác giả yếu tố ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng tạo ảnh HTQH chưa quan tâm mức chưa phương pháp tính tốn khoa học cơng bố cụ thể ảnh hưởng kết cấu gá lắp đến quang sai mặt sóng linh kiện quang học nói riêng tồn hệ thống nói chung Đây nội dung quan trọng đòi hỏi luận án cần giải để xây dựng mơ hình thiết bị có chất lượng cao Chương PHƯƠNG PHÁP TÍNH ẢNH HƯỞNG CỦA KẾT CẤU GÁ LẮP ĐẾN QUANG SAI MẶT SÓNG CỦA LINH KIỆN QUANG HỌC 2.1 Sự ảnh hưởng kết cấu gá lắp đến quang sai mặt sóng linh kiện quang học Quang sai mặt sóng phụ thuộc vào yếu tố, yếu tố biến dạng bề mặt chưa có phương pháp để xác định Đặc biệt, hệ thống có kích thước lớn kết cấu cồng kềnh hệ chuẩn trực cần lực gá kẹp lớn để đảm bảo chắn Nếu lực gá kẹp lớn gây biến dạng bề mặt linh kiện ảnh hưởng đến quang sai mặt sóng linh kiện nói riêng chất lượng hoạt động toàn hệ thống nói chung Vì vậy, luận án cần nghiên cứu đề xuất phương pháp khoa học làm sở cho tính tốn, thiết kế thành phần tồn hệ thống Nghiên cứu sinh đề xuất phương pháp tính quang sai mặt sóng nhiều thành phần quang học hệ thống gương, thấu kính phẳng… lực kẹp khác Phương pháp dựa kết hợp phần mềm ANSYS, Delphi Zemax Luận án chọn gương cầu làm linh kiện để thực hiện, phép đo thực nghiệm cho thấy qn, tương đồng với tính tốn lý thuyết Trong thiết kế hệ thống quang học đòi hỏi độ xác cao, nội dung cần thiết để thiết kế cấu gá lắp phù hợp nhằm tối ưu hóa hiệu hoạt động hệ thống 2.2 Phương pháp xác định biên dạng bề mặt quang sai mặt sóng linh kiện quang học sau biến dạng 2.2.1 Quy trình tính tốn Phương pháp xác định quang sai mặt sóng có ba bước chính: Thứ nhất, sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (phần mềm ANSYS) để tính tốn chuyển vị phần tử bề mặt thành phần quang học chịu lực gá kẹp Thứ hai, làm khớp bề mặt biến dạng với đa thức Zernike Standard để xác định hệ số đa thức Zernike Standard Cuối cùng, xác định quang sai mặt sóng linh kiện phần mềm Zemax với tham số đầu vào hệ số Zernike thông số linh kiện quang học 2.2.2 Xác định biên dạng bề mặt Luận án sử dụng phần mềm ANSYS để tính tốn biến dạng hay chuyển vị phần tử bề mặt gương chịu tác dụng lực gá kẹp Dưới tác động ngoại lực, bao gồm trọng lực (P) lực kẹp (F), linh kiện bị biến dạng Kết nút A, B, C, D, A ', B', C ', D' di chuyển đến vị trí A1, B1, C1, D1, A'1, B'1, C'1, D '1 tương ứng (Hình 2.1c) bề mặt linh kiện khơng cịn hình cầu A A1 F, P D B' C1 D1 C'1 B'1 C' A'1 A' a) B1 C B D'1 D' b) c) Hình 2.1 Mơ hình minh họa biến dạng phẩn tử bề mặt gương a) Sơ đồ phân chia gương cầu thành nhiều phần tử, b) c) Minh họa phần tử điển hình khơng bị biến dạng bị biến dạng Bộ số liệu chuyển vị tính ANSYS thơng số đầu vào quan trọng việc xác định biên dạng bề mặt gương cầu sau biến dạng Khi đó, biên dạng bề mặt gương làm khớp với biên dạng mặt phi cầu biểu diễn: 37 Z  R  R  ( X  Y )   Aj M j (  ,  ) 2 j 1 Trong đó, Aj: Hệ số thứ j đa thức Zernike Standard, j  1,37 Từ phương trình trên, thông số (Xi, Yi, Zi) Mj biết, để xác định phương trình biến dạng Z, ta phải tính hệ số Aj Bằng phương pháp bình phương tối thiểu, hệ số Aj đa thức Zernike Standard xác định Như vậy, phương trình biên dạng bề mặt gương sau biến dạng xác định Đây bước quan trọng để xác định quang sai mặt sóng gương 2.2.3 Xác định quang sai mặt sóng Để xác định quang sai mặt sóng gương ta cần biết thơng số: kích thước, vật liệu hệ số Aj Từ đó, nhập thông số đầu vào vào phần mềm thiết kế quang học Zemax cho phép ta xác định quang sai mặt sóng gương bị biến dạng 12 2.4.4 So sánh quang sai mặt sóng lý thuyết thực nghiệm Các kết đo quang sai mặt sóng lý thuyết thực nghiệm với giá trị lực tác dụng khác thể hình 2.9 Hình 2.9 Quang sai mặt sóng PV RMS lực tác dụng khác Về mặt giá trị, sai khác quang sai mặt sóng lý thuyết thực nghiệm nhỏ 10%, sai số nhỏ 1,4% lực tác dụng 55 N sai số đáng kể 9,6% lực tác dụng 150 N Từ kết ta nhận thấy, đồng quang sai mặt sóng lý thuyết thực nghiệm gương nghiên cứu khẳng định tính xác phương pháp luận án đề xuất Do đó, nội dung có ý nghĩa việc thiết kế kết cấu gá lắp phù hợp để tối ưu hóa HTQH 2.5 Kết luận Luận án đề xuất phương pháp để xác định quang sai mặt sóng linh kiện quang học bị biến dạng tác dụng ngoại lực Phương pháp cho phép xác định quang sai mặt sóng khơng thành phần mà hệ thống quang học chứa nhiều thành phần chúng chịu tác dụng lực gá kẹp Độ xác phương pháp kiểm chứng trình thực nghiệm gương cầu Phép đo thực nghiệm cho thấy phù hợp tốt với tính tốn lý thuyết, kết sai số dao động mức nhỏ 10% Kết nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng phục vụ cho việc thiết kế hệ thống quang học yêu cầu độ xác cao, giúp tối ưu kết cấu gá lắp để đảm bảo hệ thống quang học chắn chắn có chất lượng tốt 13 Chương XÂY DỰNG MƠ HÌNH THIẾT BỊ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG TẠO ẢNH CỦA HỆ THỐNG QUANG HỌC LÀM VIỆC TRONG VÙNG PHỔ HỒNG NGOẠI 8-12 µm 3.1 Thiết kế, chế tạo hệ chuẩn trực làm việc vùng hồng ngoại 3.1.1 Thiết kế hệ quang hệ chuẩn trực * Phân tích lựa chọn sơ đồ hệ chuẩn trực: Luận án lựa chọn hệ chuẩn trực phản xạ trục sử dụng gương cầu làm phương án tính tốn, thiết kế (Hình 3.1) Phương án có ưu điểm dải phổ làm việc rộng, phù hợp với việc gia công gương cầu nước, nhiên hệ thống có quang sai đơn sắc Hình 3.1 Hệ chuẩn trực phản xạ ngồi trục dùng vật kính gương * Tính tốn, thiết kế kích thước: Bằng cơng thức tính tốn, luận án thiết kế hệ chuẩn trực có thơng số kết cấu: Bán kính mặt gương chính: R1 = 3000 mm; đường kính gương D1 = 150 mm; góc nghiêng gương so với quang trục α = 1o; gương thứ cấp: R2 = ; kích thước x, y là: 30 mm, 60 mm; khoảng cách hai gương L1 = 1471 mm * Kiểm tra chất lượng ảnh hệ: Sử dụng phần mềm Zemax để kiểm tra chất lượng ảnh hệ thiết kế trên, ta kết hình 3.2 Tại bước sóng  = 10,6 μm, quang sai: C = 0,06, sai sóng: PV = 0,0642 < /10, mặt thiết kế, hệ chuẩn trực đạt yêu cầu sử dụng làm thiết bị đo kiểm ống kính ảnh nhiệt 14 b) Sai sóng a) Quang sai Hình 3.2 Quang sai sai sóng hệ chuẩn trực 3.1.2 Thiết kế kết cấu khí hệ chuẩn trực Cụm gương cầu thiết kế đặt bề mặt đế cố định ba vít ba mấu tì tương ứng vị trí mấu ép chữ Z (Hình 3.3a) Các mấu đóng vai trị gối đỡ gương, lắp ráp lực liên kết ép xuống gương truyền thẳng xuống đế vị trí (Hình 3.3c) F a) Cơ cấu cải tiến b) Mặt trước c) Mặt sau Hình 3.3 Kết cấu cụm gương cải tiến Mơ hình chịu lực gương ANSYS thể hình 3.3b 3.3c Kết tính biến dạng ứng suất gương ANSYS tính tốn thể hình 3.4 a) Biểu đồ biến dạng bề mặt gương b) Biểu đồ ứng suất gương Hình 3.4 Kết phân tích mơ hình gá lắp cải tiến 15 Giá trị biến dạng biểu đồ ứng suất (Hình 3.4b) gương chịu lực kẹp F = 48,4 N nhỏ, hoàn toàn thỏa mãn yêu cầu 3.1.3 Cụm gương thứ cấp Cụm gương thứ cấp có tác dụng thay đổi đường truyền chùm tia trước vào cụm gương Cụm bao gồm gương phẳng mạ bạc, có kích thước 30 x 60 mm dán lên thân ống gá có đầu vát góc 44o đảm bảo gương thứ cấp nghiêng góc β = 44o so với mặt phẳng thẳng đứng thiết kế (Hình 3.5) Tồn cụm gương gá lên thân ống chuẩn trực có khả dịch chuyển dọc trục ống chuẩn trực để hiệu chỉnh vị trí xác Thân ống gá Gương thứ cấp Hình 3.5 Cụm gương thứ cấp 3.1.4 Lắp ráp hiệu chỉnh Sau lắp ráp hiệu chỉnh vị trí xác cụm gương ta nhận hệ chuẩn trực hồn chỉnh hình 3.6 Hình 3.6 Sơ đồ gá lắp ống chuẩn trực Cụm gương cầu; Thân ống chuẩn trực; Cụm gương thứ cấp 16 3.1.5 Kết đo kiểm thông số ống chuẩn trực - Đo tiêu cự: Tiêu cự ống chuẩn trực đo theo phương pháp đo góc, tiêu cự ống chuẩn trực fc  1510  mm - Đo bán kính gương cầu: Phép thực thiết bị Super Spherotronic HR, R ≈ 3014 mm, đó: f’ = R/2 = 1507 mm Vì vậy, ta chọn f’ = 1510 mm làm giá trị tiêu cự ống chuẩn trực để tính tốn sau 3.2 Thiết kế, chế tạo vật kính hiển vi 3.2.1 Thiết kế hệ quang vật kính hiển vi Thơng số kỹ thuật vật kính hiển vi phân tích lựa chọn sau: - Vựng ph lm vic t 8ữ12 àm; - Quang sai mặt sóng nhỏ /10; - Độ phóng đại ngang β = 10x; - Số độ NA = 0,45 Luận án lựa chọn thấu kính aplanat để tính tốn, thiết kế vật kính hiển vi Thơng qua cơng thức tính tốn, tính thơng số vật kính hiển vi bảng 2.1: Bảng 2.1: Thơng số vật kính hiển vi tối ưu phần mềm Zemax STT Bán kính (mm) Chiều dày (mm) Vật Vô 8,8 - 9,3 2 - 9,3 - 26,73 - 20,70 118,86 Ảnh Vô Vật liệu Germanium Germanium Nhập thông số phần mềm Zemax cho thấy quang sai vật kính hiển vi có giá trị nhỏ 0,1, đạt yêu cầu đề 3.2.2 Chế tạo vật kính hiển vi Kết đo thông số thấu kính sau gia cơng bảng 2.2: 17 Bảng 2.2: Thơng số vật kính hiển vi sau gia cơng Bán kính (mm) Theo Thực tế thiết kế đạt Thấu - 9,3 - 9,305 0,03% kính - 9,3 - 9,309 0,1% Thấu - 26,73 - 26,735 0,02% kính - 20,70 - 20,711 0,05% STT Sai số (%) Chiều dày (mm) Theo Thực tế thiết kế đạt 2,016 0,8% 2,014 0,7% Sai số (%) Kết đo quang sai mặt sóng mặt thấu kính vùng phổ làm việc vật kính (IR = 10,6 µm) sau: Bảng 2.3: Quang sai mặt sóng mặt thấu kính Thấu kính Bề mặt Thấu kính PV (IR) RMS (IR) PV (IR) RMS (IR) Mặt lõm 0,0046 0,00072 0,0073 0,00084 Mặt lồi 0,0073 0,00078 0,010 0,00191 Kết cho thấy quang sai mặt sóng thấu kính nhỏ 10 lần so với quang sai dư q trình thiết kế chưa khử hết Vì vậy, kết luận vật kính thiết kế, chế tạo có sai số gia cơng khơng ảnh hưởng đến chất lượng hoạt động chúng 3.3 Kết luận Luận án thiết kế, chế tạo thành công hệ chun trc hot ng vựng ph 8ữ12 àm vi thông số: tiêu cự f’ = 1510 mm, đường kính đồng tử vào D = 140 mm, quang sai mặt sóng vật kính chuẩn trực nhỏ λ/10 Đồng thời, luận án chế tạo vật kính hiển vi với độ phóng đại β = 10x, sai số kích thước, hình dạng thấu kính nhỏ, quang sai mặt sóng nhỏ λ/10 đáp ứng yêu cầu đề 18 Chương CÁC KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 4.1 Kết hoạt động thực nghiệm hệ chuẩn trực 4.1.1 Đo quang sai mặt sóng gương chuẩn trực Cho ống chuẩn trực làm việc với giao thoa kế Verifire XP/D –ZYGO Đồ thị sai sóng trích từ phần mềm xử lý ảnh giao thoa thể hình 4.1 Hình 4.1 Bản đồ sai sóng ống chuẩn trực đo giao thoa kế Zygo Tại bước sóng 10,6 µm: PV = 0,044; RMS = 0,066, giá trị quang sai mặt sóng nhỏ ( /20), đáp ứng yêu cầu sử dụng đo kiểm quang học 4.1.2 Kết thu nhận ảnh lỗ có kích thước nhỏ tạo vật kính ảnh nhiệt Hình 4.2 Mơ hình thiết bị thu nhận ảnh vật kính FLIR Ống chuẩn trực; Laser CO2; Thấu kính giãn chùm; Gương phản xạ; Mia dạng lỗ trịn; Vật kính ảnh nhiệt; Vật kính hiển vi; Cảm biến ảnh nhiệt; Màn hình 19 Để thu nhận đánh giá chất lượng ảnh vật kính ảnh nhiệt, ta cho vật kính làm việc với vật mẫu có dạng lỗ nhỏ đường kính 25 m tiến hành thu nhận ảnh chúng để đánh giá Sơ đồ hệ thống đo thể hình 4.2 Kết thu nhận ảnh vật mẫu qua hệ thống thể hình 4.3a - 4.3c tương ứng với hình ảnh vết nhiễu xạ chụp ba vị trí thị giới ống kính a) b) c) Hình 4.3 Kết đo kiểm vật kính ảnh nhiệt a), b), c) Hình ảnh vết nhiễu xạ vị trí: trung tâm thị giới; 1/2 thị giới; rìa thị giới Tại vị trí trung tâm, vết tròn đều, thấy rõ vòng nhiễu xạ, chứng tỏ ống kính khử quang sai tốt; vị trí khác vết bị méo, độ méo tăng dần từ trung tâm biên thị giới Điều chứng tỏ hệ thống đo kiểm hoạt động tốt, phát suy giảm chất lượng ảnh vật kính thử nghiệm 4.2 Kết thử nghiệm hoạt động vật kính hiển vi 4.2.1 Kiểm tra độ phóng đại vật kính hiển vi Phương pháp thực ghép vật kính với cảm biến ảnh nhiệt thành hệ kính hiển vi hồng ngoại quan sát vật mẫu lỗ nhỏ có đường kính D = 317,5 µm Sơ đồ thử nghiệm thể hình 4.4 a) Sơ đồ ngun lý b) Sơ đồ bố trí thực tế Hình 4.4 Sơ đồ đo kiểm hoạt động vật kính hiển vi hồng ngoại Vật đen tuyệt đối; Vật mẫu; Vật kính hiển vi; Cảm biến 20 Kết hình ảnh lỗ thu nhận hiển thị máy tính thể hình 4.5 Hình 4.5 Ảnh lỗ nhỏ có đường kính 0,3175 mm Đường kính lỗ ảnh chiếm 258 pixels tương ứng y’ = 258.0,012 = 3,096 mm Như vậy, độ phóng đại:   y ' 3,096   9,75 y 0,3175 4.2.2 Kết thu nhận ảnh lỗ có kích thước nhỏ tạo vật kính hiển vi Sử dụng vật kính hiển vi thu nhận ảnh số vật mẫu có kích thước 10 µm 25 µm Kết hình ảnh vật mẫu nhận thể hình 4.6: a) b) c) Hình 4.6 Hình ảnh quan sát lỗ nhỏ a) Ảnh lỗ 10 µm; b), c) Ảnh lỗ 25 µm làm việc vùng hồng ngoại vùng nhìn thấy Từ kết ta nhận thấy: - Đối với lỗ có đường kính 10 µm, ảnh thu đốm sáng trịn có cường độ lượng tập trung trung tâm giảm dần phía ngồi tương ứng với lý thuyết Như vậy, chất lượng vật kính hiển vi đạt giới hạn nhiễu xạ - Đối với lỗ có kích thước 25 µm: Các hiệu ứng hình học thể (hình 4.6b), hình dạng chi tiết lỗ dựng lại trung thực, giống quan sát ánh sáng nhìn thấy (hình 4.6c) Điều chứng tỏ vật kính hiển vi có chất lượng tốt 4.3 Ứng dụng mơ hình thiết bị đo hàm LSF, MTF số mẫu vật kính ảnh nhiệt 4.3.1 Đo tiêu cự vật kính ảnh nhiệt Sơ đồ thiết bị đo tiêu cự vật kính FLIR có tiêu cự f’ = 19 mm, F1.2 hình 4.7: 21 b) Ảnh mia chữ H a) Sơ đồ đo tiêu cự Hình 4.7 Sơ đồ đo tiêu cự vật kính ảnh nhiệt ảnh mia chữ H Ống chuẩn trực; Laser CO2; Thấu kính giãn chùm; Gương phản xạ; Mia chữ H; Ống kính ảnh nhiệt; Vật kính hiển vi; Cảm biến; Màn hình Mia có dạng chữ H với kích thước ngang y = 10 mm đặt vị trí (5) sơ đồ Khi đó, ảnh mia thu hình 4.7b Số điểm ảnh hai cạnh mia n = 73 pixels hay khoảng cách chúng y’ = 73.0.017 = 1.241 mm Từ đó, tiêu cự ống kính là: f   fc  y ' 1510.1,241   19,2 mm sai số 1%  y 9,75.10 Như vậy, kết đo tiêu cự phù hợp với công bố nhà sản xuất 4.3.2 Đo hàm nhòe đường LSF, hàm truyền điều biến MTF Mơ hình thực nghiệm đo hàm LSF, hàm MTF bố trí hình 4.8: Hình 4.8 Sơ đồ mơ hình thử nghiệm hoạt động hệ thống Nguồn xạ; Vật mẫu; Ống chuẩn trực; Vật kính cần kiểm tra; Vật kính hiển vi; Cảm biến; Máy tính * Ngun lý hoạt động mơ hình thử nghiệm: Khi hoạt động, nguồn xạ từ vật đen tuyệt đối chiếu vào vật mẫu, thông qua hệ chuẩn trực, vật kính cần kiểm tra vật kính hiển vi ảnh vật mẫu thu cảm biến có dạng vạch sáng (Hình 4.9) 22 Hình 4.9 Ảnh vật mẫu Từ đây, luận án tiến hành xây dựng thuật toán xử lý ảnh lọc nhiễu ảnh, đồng thời tính tốn để xác định hàm LSF, MTF vật kính cần kiểm tra Sau xử lý nhiễu, hàm nhòe đường LSF xác định cách cắt đường vuông góc với ảnh khe sáng Đồ thị hàm LSF có dạng cực đại trung tâm giảm dần hai bên Ngoài ra, hàm LSF ta cần xác định hàm LSF vị trí mặt phẳng ảnh vật kính cần kiểm tra Do vậy, ta phải xử lý liệu để đưa hàm LSF cần tìm mối quan hệ tín hiệu đầu vào đầu sau: Vout  c1in  c2 (4.1) Ở đây: Φin: Tín hiệu đầu vào; Vout: Tín hiệu đầu ra; c1: Hằng số, c1 = 1; c2: Hệ số hiệu chỉnh; γ: Hệ số hiệu chỉnh Gamma, γ = 0,7 Trong trường hợp này: Vout  LSFcambien in  LSFHTQH Do đó:  LSF cambien  c2    LSFHTQH   (4.2) Từ đó: LSFHTQH   LSFcambien  c2     LSFcambien  c2  0,7   LSFcambien  c2  1,4 (4.3) Từ đó, hàm truyền MTF xác định biến đổi Fourier hàm LSFHTQH: MTF  F LSFHTQH  (4.4) 4.3.2.3 Kết đo hàm LSF, MTF: Với mơ hình thiết bị kiểm tra hệ quang ảnh nhiệt thuật toán xử lý kết Luận án tiến hành chọn hai mẫu vật kính ảnh nhiệt có thơng số hàm LSF, MTF, từ làm sở so sánh, đối chiếu với kết đo hàm LSF, MTF hệ thống Các thông số hai vật kính sau: 23 Bảng 4.1: Bảng thơng số vật kính mẫu Vật kính Vật kính 100 19 F1.0 F1.25 Wavelength Optoelectronic Flir Tiêu cự Khẩu độ tương đối Hãng sản xuất a) Kết đo kiểm vật kính thứ nhất: Tiến hành lắp vật kính thứ vào mơ hình thiết bị, ảnh vật mẫu thu sau qua hệ thống có dạng hình 4.10 Hình 4.10 Ảnh vật mẫu thử nghiệm với vật kính thứ Từ thuật toán viết phần mềm Matlab, xác định hàm LSF, MTF hình 4.11 a Hàm nhịe đường LSF b Hàm truyền điều biến MTF Hình 4.11 Kết thực nghiệm đo hàm LSF, MTF vật kính thứ Ta có, hàm MTF cơng bố nhà sản xuất thể hình 4.12: Hình 4.12 Hàm MTF theo công bố nhà sản xuất 24 So sánh kết đo hàm MTF thực nghiệm hàm MTF nhà sản xuất ta nhận thấy: Các giá trị hàm MTF thực nghiệm có hình dạng tương đồng, giá trị tương đối sát với hàm MTF nhà sản xuất Riêng đoạn đầu đường cong ứng với dải tần số thấp (x ≤ 10 lp/mm), độ tương phản đo cao so với MTF nhà sản xuất Điều dải động cảm biến ảnh nhiệt chưa đủ để ghi nhận tín hiệu yếu dẫn đến liệu tính tốn hàm MTF chưa đầy đủ nên có sai khác vùng Do vậy, muốn thu hàm MTF xác dải động cảm biến phải mở rộng b) Kết đo kiểm vật kính thứ hai: Đây vật kính lấy từ thiết bị ảnh nhiệt để kiểm tra, đánh giá Hàm LSF, MTF thể hình 4.14a, 4.14b Để xác định hàm LSF, MTF thực nghiệm, ta lắp vật kính thứ hai vào hệ thống, ảnh vật mẫu hình 4.13: Hình 4.13 Ảnh vật mẫu thử nghiệm với vật kính thứ hai Từ đó, kết đo LSF, MTF thực nghiệm thu thể hình 4.14c, 4.14d a) Hàm LSF lý thuyết b) Hàm MTF lý thuyết c) Hàm LSF thực nghiệm d) Hàm MTF thực nghiệm Hình 4.14 Hàm LSF MTF lý thuyết thực nghiệm 25 Ta thấy rằng: Hàm nhịe đường LSF có hình dạng tương đối tương đồng, phân bố lượng thể rõ cấu trúc cực đại trung tâm giảm dần sang hai bên Đối với hàm MTF, giá trị hàm MTF thực nghiệm tương đối sát với hàm MTF lý thuyết, đoạn đầu đường cong cao so với lý thuyết dải động cảm biến hạn chế Tuy nhiên, với kết tại, mơ hình thiết bị phù hợp để kiểm tra vật kính ảnh nhiệt dùng quân thiết bị thường dùng để quan sát xa, mục tiêu có kích thước góc nhỏ, dải tần số cao quan tâm nhiều đánh giá Căn vào kết đo hàm LSF, MTF thiết bị số mẫu vật kính ảnh nhiệt khẳng định thiết bị đáp ứng tốt yêu cầu đo kiểm HTQH ảnh nhiệt 4.4 Kết luận Thông qua hoạt động thử nghiệm kết chương 4, ta nhận thấy: Hoạt động thử nghiệm thu nhận ảnh hệ chuẩn trực vật kính hiển vi chứng tỏ quang sai khử tốt, vật kính đạt giới hạn nhiễu xạ Hai thành phần đảm bảo yêu cầu kỹ thuật để sử dụng hệ đo kiểm ảnh nhiệt Khẳng định việc làm chủ thiết kế chế tạo ống chuẩn trực, vật kính hiển vi với điều kiện cơng nghệ nước Kết đo tiêu cự mơ hình thiết bị cho kết sai số khoảng 1% Đồng thời, với thuật toán xử lý ảnh phép biến đổi toán học cách khoa học, rõ ràng, kết thử nghiệm mơ hình thiết bị cho thấy hàm nhòe đường LSF hàm truyền điều biến MTF số mẫu vật kính ảnh nhiệt nhận phù hợp với công bố nhà sản xuất Đây thiết bị Việt Nam có khả đánh giá chất lượng ảnh HTQH ảnh nhiệt, phục vụ cho công tác nghiên cứu, phát triển hệ quang ảnh nhiệt nước KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN ÁN Kết luận án Luận án hoàn thành mục tiêu xây dựng giải pháp mơ hình thiết bị đánh giá chất lượng tạo ảnh HTQH làm việc vùng 8-12 µm với số kết sau: - Luận án nghiên cứu, đề xuất phương pháp khoa học để tính ảnh hưởng cấu gá lắp đến quang sai mặt sóng linh kiện quang học Đối với hệ thống tạo linh kiện khác nhau, ta tính đóng góp quang sai thành phần chịu lực gá kẹp, từ có lựa chọn, điều chỉnh kết cấu phù hợp để giảm ảnh hưởng 26 kết cấu đến mức thấp chất lượng hoạt động hệ thống Đây đóng góp mới, có ý nghĩa thực tiễn cao thiết kế, chế tạo nhằm nâng cao chất lượng tạo ảnh HTQH - Luận án thiết kế, chế tạo thành công hệ chuẩn trực, vật kính hiển vi hoạt động vùng phổ hồng ngoại 8-12 μm Trong đó, hệ chuẩn trực lựa chọn hệ phản xạ sử dụng gương cầu chuẩn trực Kết hoạt động thực nghiệm cho thấy hệ hoạt động có chất lượng tốt vật kính hiển vi đạt giới hạn nhiễu xạ Đây đóng góp luận án việc cung cấp giải pháp xây dựng mơ hình thiết bị hồn chỉnh để đánh giá chất lượng tạo ảnh HTQH làm việc vùng phổ hồng ngoại - Luận án xây dựng phần mềm xử lý ảnh để xác định hàm nhòe đường LSF hàm truyền điều biến MTF HTQH cần kiểm tra Thông qua hoạt động thực nghiệm mơ hình thiết bị kiểm tra số mẫu vật kính, ảnh thu nhận cảm biến xử lý qua thuật toán cho kết hàm nhòe đường LSF hàm truyền điều biến MTF cách nhanh chóng phù hợp với cơng bố nhà sản xuất Như vậy, với phương pháp tính tốn, thiết kế khoa học, tường minh, luận án xây dựng thành cơng mơ hình thiết bị đáp ứng yêu cầu đo kiểm quang học Điều có ý nghĩa lớn tình hình Việt Nam, chưa có thiết bị kiểm tra, đánh giá chất lượng hệ quang làm việc vùng phổ hồng ngoại 8-12 µm Hướng phát triển luận án Với kết nghiên cứu đạt được, thời gian tới luận án mong muốn hồn thiện, tối ưu mơ hình thiết bị từ thiết gia công, chế tạo cụm quang để phát triển mơ hình thành thiết bị thương mại để phục vụ cho cơng tác đo kiểm, sản xuất hệ quang ảnh nhiệt cho viện nghiên cứu, trung tâm đo lường, nhà máy sản xuất nước