Nghiên cứu, thiết kế, ứng dụng hệ quang cho thiết bị định vị không gian

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VŨ THANH TÙNG VŨ THANH TÙNG CHUYÊN NGÀNH CHẾ TẠO MÁY NGHIÊN CỨU , THIẾT KẾ, ỨNG DỤNG HỆ QUANG CHO THIẾT BỊ ĐỊNH VỊ KHÔNG GIAN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH CHẾ TẠO MÁY KHOÁ 2010-2012 Hà Nội – Năm 2011 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VŨ THANH TÙNG NGHIÊN CỨU , THIẾT KẾ, ỨNG DỤNG HỆ QUANG CHO THIẾT BỊ ĐỊNH VỊ KHÔNG GIAN Chuyên ngành : Chế tạo máy LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH CHẾ TẠO MÁY NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS TS Nguyễn Thị Ngọc Lân TS Lê Duy Tuấn Hà Nội – Năm 2011 MỤC LỤC CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ HỆ QUANG THU TRONG THIẾT BỊ ĐO XA LASER T 32T 1.1 Nguyên lí đo xa laser T 32T 1.1.1Nguyên lý đo xa xung T T 1.1.2 Nguyên lý đo xa so pha 11 T T Giới thiệu máy đo xa laser xung ЛДИ -3 -1 13 T T CHƯƠNG TÍNH TỐN, THIẾT KẾ HỆ QUANG THU CHO THIẾT BỊ ĐO XA LASER 20 T 32T 2.1 Phân tích lựa chọn thành phần hệ quang thu 20 T T 2.1.1 Nhiệm vụ hệ quang thu 20 T T 2.1.2 Phân tích lựa chọn hệ vật kính 20 T T 2.1.3 Phân tích, lựa chọn hệ đảo ảnh 23 T T 2.1.4 Phân tích, lựa chọn thị kính 24 T T 2.2 Các thông số thiết kế ban đầu hệ Cassegrain 25 T T 2.2.1 Đường truyền tia sáng hệ Cassegrain 25 T T 2.2.2 Thông số thiết kế ban đầu hệ quang Cassagrain 26 T T 2.2.3 Tính tốn sơ tiêu cự, độ phóng đại, thị giới cụm chi tiết hệ quang 26 T 32T 2.3 Tính tốn thiết kế module hệ quang Cassagrain phần mềm Zemax 27 T 32T 2.3.1 Tính tốn thiết kế cho hệ vật kính 27 T T 2.3.2 Thiết kế hệ đảo ảnh thấu kính 34 T T 2.3.3 Thiết kế thị kính đối xứng 41 T T 2.4 Đánh giá chất lượng hệ quang thu Cassegrain hoàn chỉnh 46 T T 2.4.1 Ghép module thành hệ quang hoàn thiện 46 T T 2.4.2 Đánh giá chất lượng ảnh hệ Cassegrain 47 T T CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ QUANG 51 T T 3.1 Mục đích thực nghiệm 51 T 32T 3.2 Hệ vật kính Cassegrain sau gia công 51 T T 3.3 Mơ hình thực nghiệm 54 T 32T 3.3.1 Nguyên lý đo 54 T 32T 3.3.2 Trình tự thực nghiệm 56 T T 3.4 Kết thực nghiệm 57 T 32T 3.4.1 Giản đồ điểm ảnh 57 T 32T 3.4.2 Hàm PSF (Point Spread Function) 58 T T 3.4.3 Hàm MTF 60 T 32T 3.4.4 Lựa chọn kích thước đầu thu 61 T T KẾT LUẬN 63 T 32T DANH MỤC HÌNH VẼ CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ HỆ QUANG THU TRONG THIẾT BỊ ĐO XA LASER Hình 1.1 Sơ đồ khối thiết bị đo xa xung Hình 1.2 Sơ đồ ngun lí đo xa xung Hình1.3 Sơ đồ nguyên lý đo xa so pha 12 Hình 1.4 Sơ đồ hệ quang ИЗ – 60 15 Hình 1.5 Kính phân vạch 16 Hình1.6 Hệ quang học phát ИЗ – 60 17 Hình 1.7 Sơ đồ mức lượng 18 U T T U U T T U U T T U U T T U U T 32T U U T T U U T T U CHƯƠNG TÍNH TỐN, THIẾT KẾ HỆ QUANG THU CHO THIẾT BỊ ĐO XA LASER T Hình 2.1 Hệ vật kính thấu kính 21 Hình 2.2 Hệ vật kính gương 21 Hình 2.3 Hệ vật kính gương - thấu kính 22 Hình 2.4 Một số hệ vật kính gương 23 Hình 2.5 Thị kính Kel-nhe 24 Hình2.6 Thị kính đối xứng 24 Hình 2.7 Thị kính Ephe 25 Hình 2.8 Đường truyền tia sáng hệ Cassegrain 25 Hình 2.9 Sơ đồ ngun lí hệ Cassegrain 28 Hình 2.10 Thơng số thiết kế ban đầu hệ Cassegrain 28 Hình 2.11 Thơng số kích thước hệ Cassegrain 29 Hình 2.12 Thơng số kích thước hệ Cassegrain chưa tối ưu 29 Hình 2.13 Hàm mục tiêu theo điểm ảnh 30 Hình 2.14 Kích thước hệ Cassagrain 30 Hình 2.15 Sơ đồ quang hệ Cassagrain 31 Hình 2.16 Hàm truyền MTF hệ vật kính Cassagrain 32 Hình 2.17 Hàm truyền MTF hệ Cassagrain 32 Hình 2.18 Đồ thị sắc sai hệ Cassagrain 33 Hình 2.19 Đồ thị cong trường méo ảnh hệ Cassagrain 33 Hình 2.20 Đồ thị cong trường méo ảnh hệ Cassagrain 34 Hình 2.21 Sơ đồ phân bố kích thước hệ vơ tiêu Cassagrain 35 Hình 2.22- Bảng thơng số kích thước vùng cận trục Cassegrain 35 Hình 2.23 Hàm mục tiêu vùng cận trục hệ Cassegrain đảo ảnh thấu kính 36 Hình 2.24 Hệ Cassegrain đảo ảnh thấu kính vùng cận trục 36 Hình 2.25 Thông số quang thủy tinh TF4 37 Hình 2.26 Thơng số quang thủy tinh K8 37 Hình 2.27 Thơng số kết cấu cụm thấu kính đảo ảnh 37 Hình 2.28 Thơng số kết cấu cụm thấu kính đảo ảnh 38 Hình 2.29 Cầu sai dọc cụm thấu kính đảo ảnh 39 U T T U U T 32T U U T T U U T T U U T 32T U U T U T 32T U 32T U U T T U U T T U U T T U U T T U U T T U U T U T U T T U T U T U U T T U U T T U U T T U U T T U U T T U U T T U U T T U U T T U U T T U U T T U U T T U U T T U U T T U U T T U Hình 2.30 Cầu sai dọc cụm thấu kính đảo ảnh 40 Hình 2.31 Giản đồ điểm ảnh cụm thấu kính đảo ảnh 41 Hình 2.32 Thơng số quang vật liệu thủy tinh TF2 42 Hình 2.33 Thơng số quang vật liệu thủy tinh CTK12 42 Hình 2.34 Hàm mục tiêu tối ưu hệ thị kính đối xứng 42 Hình 2.35 Thơng số kết cấu hệ thị kính đối xứng 43 Hình 2.36 Sơ đồ quang hệ thị kính đối xứng 43 Hình 2.37 Hàm MTF hệ thị kính đối xứng 44 Hình 2.38 Cong trường méo ảnh hệ thị kính đối xứng 45 Hình 2.39 Giản đồ điểm ảnh thị kính 45 Hình 2.40 Sơ đồ quang hệ quang 46 Hình 2.41 Thơng số kết cấu hệ quang 47 Hình 2.42 Đồ thị cong trường méo ảnh hệ quang thu Cassagrain 47 Hình 2.43 Đồ thị hàm MTF hệ quang thu Cassagrain 48 Hình 2.44 Đồ thị cong trường méo ảnh hệ quang thu Cassagrain 49 Hình 2.45 Đồ thị cầu sai dọc hệ quang thu Cassagrain 50 U T T U U T T U U T T U U T T U U T T U U T T U U T T U U T T U U T T U U T T U U T T U U T T U U T T U U T T U U T T U U T T U CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ QUANG 32T Hình 3.1 Bản vẽ chế tạo gương Parabol 52 Hình 3.2 Gương Parabol 52 Hình 3.3 Bản vẽ chế tạo gương Hepebol 53 Hình 3.4 Gương Hepebol 53 Hình 3.5 Ống kính Cassegrain 54 Hình 3.6 Sơ đồ khối nguyên lý thiết bị đo 54 Hình 3.7 Nguồn laser 55 Hình 3.8 Ống kính chuẩn trực 56 Hình 3.9 Cụm gá kẹp mẫu đo 56 Hình 3.10 Cụm hiển vi có gắn CCD 56 Hình 3.11 Ảnh hệ Cassegrain thu CCD 57 Hình 3.12 Hàm PSF lí thuyết hệ Cassegrain 59 Hình 3.13 Hàm PSF thực tế hệ Cassegrain 59 Hình 3.14 Hàm MTF lí thuyết hệ Cassegrain 60 Hình 3.15 Hàm MTF thực tế hệ Cassegrain 60 Hình 3.16 Đồ thị phân bố lượng thực tế hệ Cassegrain 61 U T T U U T 32T U U T T U U T 32T U U T T U U T U T T U 32T U U T U T U T 32T U 32T U T U U T T U U T T U U T T U U T T U U T T U U T T U PHẦN MỞ ĐẦU Trong thực tế sống việc xác định xác khoảng cách điều cần thiết, sở cho nhiều ứng dụng khác Trong kinh tế quốc dân việc ứng dụng đo xa cho nhiều lĩnh vực như: Trắc địa đồ, Xây dựng, Giao thông vận tải, … làm sở cho việc quy hoạch phát triển vùng kinh tế cách hợp lý bố trí quốc phịng, an ninh Trong ngành trắc địa đồ: đồ giải cạnh lưới khống chế mặt phẳng, đo vẽ đồ, làm sở quy hoạch vùng kinh tế, xây dựng mạng đường giao thông, đường dây truyền tải điện Trong quân sử dụng rộng rãi sản phẩm, phương tiện đo đạc phân tích trắc địa để: trinh sát địa hình, quan sát tình hình, đo đạc, nối liền trận địa chiến đấu, cung cấp thông số để xác định phần tử bắn cho đơn vị hoả lực Ngồi cịn ứng dụng việc quy hoạch tổng thể đơn vị, doanh trại, kho tàng Với phát triển khoa học kỹ thuật hình thành nhiều phương pháp đo cự ly khác Trong phải kể đến việc ứng dụng laser để đo khoảng cách giảm đáng kể thời gian đo, tính thuận tiện thao tác, sử dụng Ngày đo xa laser ứng dụng rộng rãi việc định vị, dẫn đường cho hệ thống điều khiển hoả lực đo khoảng cách đến mục tiêu có cự ly lớn máy đo xa trang bị vệ tinh nhân tạo Hệ thống quang học máy đo xa laser đảm bảo việc hình thành đưa xạ laser tới mục tiêu, thu xạ phản xạ từ mục tiêu hội tụ lên bề mặt đầu thu, truyền xung khởi động đến đầu thu, quan sát hiển thị kết Từ ta chia hệ thống quang học máy đo xa laser thành phần chính: + Hệ quang phát xạ laser + Hệ quang thu xạ quan sát Hệ quang phát xạ laser làm nhiệm vụ mở rộng chùm tia, đưa chùm laser đến mục tiêu Hệ quang thu thiết bị đo xa laser làm nhiệm vụ thu gom lượng đồng thời quan sát mục tiêu Đây hệ quang phức tạp cần chất lượng ảnh tốt để quan sát mục tiêu cự li xa Một tiêu đánh giá chất lượng hệ quang quang sai nhỏ Trước cơng nghệ tạo hình bề mặt chi tiết quang chưa phát triển nên thấu kính hệ quang thu bề mặt cầu Nhược điểm hệ thấu kính cầu có quang sai cầu sai lớn, tổn hao lượng bề mặt khúc xạ có hệ số hấp thụ xạ laser lớn Ngày với tiến khoa học kĩ thuật đặc biệt kĩ thuật điều khiển số, máy gia cơng quang học gia công bề mặt phi cầu Điều cho phép hệ phi cầu dùng ngày nhiều thực tế Ưu điểm hệ phi cầu khơng có cầu sai, tổn hao lượng nhỏ hệ thấu kính Trong luận văn tác giả thiết kế hệ quang thu sử dụng bề mặt phi cầu dùng cho thiết bị đo xa laser để khẳng định ưu điểm hệ phi cầu khả công nghệ gia công bề mặt phi cầu Nội dung luận văn bao gồm phần : Tính tốn, thiết kế hệ quang thu sử dụng chi tiết quang có bề mặt phi cầu cho thiết bị đo xa laser phần mềm Zemax - Chế tạo hệ quang sở thông số sau thiết kế phần mềm Zemax - Đánh giá chất lượng ảnh hệ quang chế tạo so với chất lượng ảnh hệ quang thiết kế phần mềm Zemax Luận văn trình bày theo bố cục sau: Phần mở đầu Chương 1: Tổng quan hệ quang thu cho thiết bị đo xa laser Chương 2: Tính tốn, thiết kế hệ quang thu cho thiết bị đo xa laser Chương 3: Đánh giá chất lượng hệ quang Kết luận Trong trình nghiên cứu tìm hiểu, tác giả gặp khơng khó khăn tài - liệu nghiên cứu thiết bị thực nghiệm Đầu tiên, xinh chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS Nguyễn Thị Ngọc Lân TS Lê Duy Tuấn người trực tiếp hướng dẫn, tơi tháo gỡ khó khăn, tơi xun suốt q trình hồn thành mục tiêu đề luận văn, TS Nguyễn Văn Đông – Phịng mơ – Trung tâm chuyển khai cơng nghệ- Viện khoa học công nghệ Việt Nam giúp đỡ tơi q trình làm luận văn Đồng thời tơi xin chân thành cảm ơn tập thể thầy cô giáo mơn Cơ khí xác & Quang học – Viện Cơ khí – trường Đại học Bách khoa Hà Nội mơn Khí tài quang – Khoa Vũ khí – Học viện Kỹ thuật quân giúp đỡ tơi hồn thành luận văn Hà nội, tháng 12 năm 2011 Vũ Thanh Tùng CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ HỆ QUANG THU TRONG THIẾT BỊ ĐO XA LASER 1.1 Nguyên lí đo xa laser Cùng với phát triển khoa học cơng nghệ, thực tiễn địi hỏi thiết bị đo cự ly phải có: Độ xác cao, nhanh chóng thuận tiện thao tác sử dụng, gọn nhẹ đảm bảo tính động, Đo xa laser ứng dụng laser sớm quân Ngay từ đầu năm 60 kỷ 20, thử nghiệm tiến hành máy đo xa laser ứng dụng rộng rãi quân kinh tế quốc dân Trong quân đo xa laser phát triển chủng loại nguyên lý đo Với đặc điểm tính định hướng cao, diện tích quét rộng tạo khả tìm bám mục tiêu tốt, máy đo xa laser sử dụng hầu hết binh chủng quân đội Máy đo xa sử dụng quân máy XM -23 quân đội Mỹ chiến tranh Việt Nam Máy đo xa trang bị cho trạm quan sát tiền tiêu binh Công suất xạ laser 25W với độ dài xung 30ns Đầu phát, đầu thu linh kiện quang lắp thành khối Máy có thước đo để xác định tầm hướng mục tiêu Nguồn nuôi ắc quy Ni - Cd 24V, đảm bảo đo 100 lần trước phải nạp lại Những máy đo xa laser nhỏ gọn hơn, chế tạo dành cho binh trạm quan sát tiền tiêu pháo binh: máy có cơng suất nhỏ, cự ly đo khoảng vài chục kilơmét với sai số ≤ ÷ 10 m Các hệ tiếp theo, ngày hoàn thiện hơn, theo hướng tạo xung cực ngắn phương pháp đồng Điển hình cho phương pháp xê ri máy đo MOBLAS dùng để đo cự ly đến vệ tinh nhân tạo LAGEOS, xung laser có độ dài 0,2ns với công suất đỉnh khoảng 0,5 GW tần số lặp lại khoảng vài Hz Để có thiết bị cần đầu thu tốc độ tính tốn đặc biệt nhanh đo thời gian đặc biệt xác Tất điều giúp giảm sai số bình phương trung bình phép đo xuống cịn vài centimét Bên cạnh việc xây dựng nguyên lý đo xa nguồn phát xạ xu hướng nhằm mở rộng khả ứng dụng máy đo xa laser tương lai Có ngun lí đo xa laser đo xa xung đo so pha 1.1.1Nguyên lý đo xa xung a Nguyên lý đo xa xung Đo xa laser làm việc rađa, cự ly cần đo tính nửa quãng đường xung xạ laser lan truyền từ máy đến mục tiêu phản xạ từ mục tiêu máy (2.1) D = ct (1.1) Trong đó: D - cự ly cần đo ( m) c - vận tốc ánh sáng khơng khí, c = 2,99705.108 (m/s) t - thời gian xạ laser tới mục tiêu phản xạ trở lại (s) Sơ đồ khối thiết bị đo xa laser thể hình vẽ 1.1 Hình 1.1 Sơ đồ khối thiết bị đo xa xung Hệ phát bao gồm nguồn laser hệ quang phát Nguồn laser thường sử dụng thiết bị đo xa laser nguồn Nd-YAG với bước sóng 1064 nm Hệ quang phát làm nhiệm vụ mở rộng chùm tia, đưa chùm laser tới mục tiêu Hệ thu bao gồm đầu thu (photodiot) hệ quang thu Đầu thu có nhiệm vụ thu lượng chùm laser phản xạ trở sau đập vào mục tiêu Hệ quang thu làm nhiệm vụ hướng chùm tia phản xạ đầu thu đồng thời tạo ảnh vật thể quan sát Khối khuếch đại làm nhiệm vụ xử lí thơng tin đua kết cự li mục tiêu Sơ đồ nguyên lí thiết bị đo xa xung thể hình 1.2 CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ QUANG 3.1 Mục đích thực nghiệm Hệ quang Cassegrain thiết kế phần mềm Zemax có module Trong module module đảo ảnh module thị kính chi tiết quang có bề mặt cầu Với điều kiện cơng nghệ Việt Nam hồn tồn đạt độ xác gia cơng cao với bề mặt cầu Chính sản phẩm bề mặt cầu chế tạo có chất lượng tương đương thiết kế phần mềm Zemax Mặt khác việc chế tạo bề mặt phi cầu thực số nước phát triển Đức, Mỹ , Nhật…Chúng ta dễ dàng tìm vẽ hệ kính thiên văn Hubble hay Smith-Cassegrain internet khả công nghệ yếu tố định đến chất lượng sản phẩm hệ phi cầu Trong luận văn em em chọn hệ vật kính Cassegrain để chế tạo đánh giá chất lượng ảnh sản phẩm thực sản phẩm thiết kế Zemax Trong phần trước thiết kế vật kính Cassegrain Zemax cho chất lượng ảnh cao, quang sai nhỏ Tuy nhiên vật kính Cassegrain cấu tạo gương phi cầu Parabol Hypebol Đây bề mặt không gia công phương pháp mài nghiền thông thường mà thường gia công máy CNC Chất lượng ảnh hệ vật kính sau chế tạo phản ánh trực tiếp độ xác gia công bề mặt phi cầu Chất lượng ảnh hệ vật kính đánh giá thơng qua giản đồ điểm ảnh thu CCD 3.2 Hệ vật kính Cassegrain sau gia cơng Với mục đích dùng quân chi tiết quang hệ Cassegrain chế tạo với chiều dày đế lớn hạn chế ảnh hưởng va đập, tăng độ ổn định hệ thống Bề mặt gương mạ lớp hợp kim đặc biệt, phản xạ tốt với xạ laser 1064 nm Bảng 3.1 Thông số chế tạo hệ gương Cassegrain Gương Bán kính Đường kính phi cầu cong thơng quang (mm) Hệ số phi cầu (mm) Parabol 423,529 100 -1,010 Hepebol 77,142 16 -2.179 Bản vẽ chế tạo sản phẩm sau gia cơng thể hình vẽ 51 Hình 3.1 Bản vẽ chế tạo gương Parabol Hình 3.2 Gương Parabol 52 Hình 3.3 Bản vẽ chế tạo gương Hepebol Hình 3.4 Gương Hepebol 53 Gương Hepebol chế tạo riêng biệt ghép với đế thủy tinh có đường kính đường kính gương Parabol để tiện cho lắp ghép hệ quang Vật liệu làm ống kính Cassegrain hợp kim nhơm, làm giảm ảnh hưởng giãn nở nhiệt giảm khối lượng ống kính Hình 3.5 Ống kính Cassegrain 3.3 Mơ hình thực nghiệm 3.3.1 Nguyên lý đo Phép đo thực máy đo thực máy đo đặt phịng thí nghiệm khí tài quang, mơn Khí tài quang, khoa Vũ khí, học viện Kỹ thuật Quân Sơ đồ khối nguyên lý làm việc thiết bị đo hình 4.4 10 Hình 3.6 Sơ đồ khối nguyên lý thiết bị đo Nguồn laser; Nêm quang học; Cụm thấu kính hội tụ; Diafram điểm5 Thấu kính trực chuẩn; Chi tiết đo; Mặt phẳng ảnh; Vật kính hiển vi; CCD; 10 Máy tính 54 Nguồn laser qua nêm quang cụm hệ thống hội tụ chùm tia hội tụ diafram điểm trước qua vật kính chuẩn trực để tạo chùm tia song song Vật đo đặt vuông góc với chùm tia chuẩn trực Vật kính hiển vi phóng đại chùm tia trước hội tụ CCD đại tiêu điểm ảnh vật kính hiển vi Ảnh từ CCD lưu trữ xử lí máy tính 10 Các phần tử thiết bị đánh giá chất lượng hệ quang hàm tán xạ điểm phịng thí nghiệm mơn Khí tài quang- Học viện kĩ thuật qn Hình 3.7 Nguồn laser 55 Hình 3.8 Ống kính chuẩn trực Hình 3.9 Cụm gá kẹp mẫu đo Hình 3.10 Cụm hiển vi có gắn CCD 3.3.2 Trình tự thực nghiệm Với nguyên lý đo trình bày trên, trình tự đo tiến hành thứ tự sau: 56 + Bước : Bật nguồn cung cấp, kiểm tra hoạt động thiết bị chế độ bình thường Kiểm tra sống trượt, camera thu ảnh, nguồn laser, phần mềm sử lý liệu ảnh + Bước : Sau kiểm tra thiết bị hoạt động bình thường, mở cấu kẹp 4, đưa hệ vật kính Cassagrain cần kiểm tra vào Mặt phản xạ hướng phía hứng lấy chùm sáng chuẩn trực, vặn cấu kẹp lại Lưu ý kẹp cho mặt cong phản xạ vng góc với phương truyền ánh sáng + Bước : Quan sát ảnh thu từ camera hình máy tính, điều chỉnh vị trí camera, lựa chọn vị trí camera thu chất lượng ảnh tốt Lưu ảnh lại + Bước : Ảnh lưu đưa vào phần mềm xử lý Chất lượng ảnh đánh giá thông qua hàm truyền MTF hàm tán xạ điểm PST 3.4 Kết thực nghiệm T 2T 3.4.1 Giản đồ điểm ảnh Ảnh qua vật kính Cassegrain thu CCD so sánh với giản đồ điểm ảnh thiết kế Zemax thể sau Hình 3.11 Ảnh hệ Cassegrain thu CCD Nhận xét: Từ ảnh thu CCD thấy điểm ảnh tròn, phân bố thành quầng sáng có dạng vịng trịn đồng tâm lân cận khu vực trung tâm chùm sáng Cường độ sáng tâm chùm sáng có cường độ lớn thể độ sáng vượt trội so với khu vực xung quanh Phân bố cường độ sáng thu CCD 57 tương tự phân bố cường độ sáng giản đồ điểm ảnh thiết kế phần mềm Zemax Tuy nhiên khu vực xa tâm chùm sáng thấy quầng sáng bị méo, khác so với dạng elip giản đồ điểm ảnh thiết kế Như có sai khác chất lượng ảnh thực tế so với thiết kế Hàm PSF hàm MTF tiếp tục làm sáng tỏ sai khác 3.4.2 Hàm PSF (Point Spread Function) Từ phân bố cường độ sáng CCD cho phép xác định hàm PSF (Point Spread Function) Hàm PSF thực tế thể hệ tọa Decard hình vẽ 3.12 Trục tung biểu diễn cường độ sáng chùm sáng quy chuẩn Giá trị lớn trục tung cường độ sáng tâm chùm sáng Giá trị trục hồnh thể vị trí chùm sáng mặt phẳng ảnh (CCD), đơn vị mm Tâm chùm sáng giá trị trục hồnh Hàm PSF có đường, cường độ chùm sáng vị trí mặt phắng ảnh so với cường độ sáng tâm chùm sáng xét theo phương vng góc với Như nghĩa hàm PSF phân bố lượng chùm sáng mặt phẳng ảnh Theo lí thuyết lượng chùm sáng phân bố toàn mặt phẳng ảnh nhiên độ nhạy thiết bị khơng cho phép phát khu vực có giá trị lượng nhỏ mặt phẳng ảnh 58 Hình 3.12 Hàm PSF lí thuyết hệ Cassegrain Point Spread Function 0.8 0.6 0.4 0.2 -0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 Hình 3.13 Hàm PSF thực tế hệ Cassegrain Nhận xét: Từ hình 3.12 thấy đồ thị hàm PSF dốc, khu vực có bán kính 0,001mm cường độ chùm sáng 60% lượng sáng tâm mặt phẳng ảnh, khu vực có bán kính 0,0005mm cường độ chùm sáng 80% lượng sáng tâm mặt phẳng ảnh Điều thể mức độ tập trung lượng cao chất lượng hệ vật kính Cassegrain Mặt khác so với hàm PSF lí thuyết khu vực có bán kính 0,0005 mm cường độ chùm sáng 60% lượng sáng tâm mặt phẳng ảnh Như mức độ tập trung lượng sáng thực tế thấp so với tính tốn 59 3.4.3 Hàm MTF Giản đồ điểm ảnh hàm PSF cho biết phân bố lượng chùm sáng mặt phẳng ảnh Đối với hệ tạo ảnh chất lượng ảnh đánh giá thơng qua hàm MTF Hình 3.14 Hàm MTF lí thuyết hệ Cassegrain Modulation Transfer Function 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 10 20 30 40 Hình 3.15 Hàm MTF thực tế hệ Cassegrain Do hạn chế độ phân giải thiết bị thu nên thực tế giá trị giới hạn hàm MTF Hàm MTF thực tế dốc hàm MTF lí thuyết chứng minh hàm truyền qua hệ Cassegrain thực tế bị suy giảm nhiều Bên cạnh hàm MTF thực tế có nhiều đoạn nhấp nhơ hàm MTF lí thuyết Dấu hiệu đồ thị hàm MTF thực tế chứng minh xuất sai số biên dạng cục chi tiết quang hệ Casegrain thực tế 60 3.4.4 Lựa chọn kích thước đầu thu Đồ thị Encircled Energy cho pháp ta lựa chọn kích thước đầu thu cho phù hợp Encircled Energy 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 Hình 3.16 Đồ thị phân bố lượng thực tế hệ Cassegrain Khác với hàm PSF cho phép so sánh cường độ sáng vị mặt phẳng ảnh so với tâm mặt phẳng ảnh Hàm phân bố lượng cho phép xác định có phần lượng chùm sáng phần diện tích đầu thu giới hạn đường trịn có tâm tâm mặt phẳng ảnh Thông thường đầu thu (CCD) thu 80% lượng chùm sáng tốt Trên đồ thị giá trị bán kính ứng với 80% lượng chùm sáng 0,05 mm Như cần chọn kích thước đầu thu có bán kính lớn 0,05 mm Kết luận Từ kết thực nghiệm cho phép đánh giá chất lượng hệ quang sau: - Hệ vật kính Cassegrain cho chất lượng ảnh tốt thể mức độ tập trung lượng cao (Hàm PSF đồ thị phân bố lượng hình 3.16) Với chất lượng vật kính hồn tồn đáp ứng u cầu chất lượng hệ đo xa laser - Đồ thị hình 3.15 cho thấy có sai khác hàm MTF lí thuyết với thực tế Như phương diện tạo ảnh chất lượng hệ Cassegrain thực tế cịn thấp so với lí thuyết nhiều Nguyên nhân gây suy giảm hàm truyền MTF sai số gia công bề mặt sai số lắp giáp Sai số gia công lắp ráp bao gồm sai lệch khoảng cách chi tiết quang, sai số độ đồng tâm sai số độ vng góc bề mặt chi tiết quang với trục quang Phân tích đồ thị hàm PSF thấy hàm phân bố lượng đối xứng qua trục song song với trục tung qua tâm mặt phẳng ảnh Từ kết luận sai số độ đồng tâm độ 61 vng góc nhỏ Như sai số lắp ráp sai số khoảng cách chi tiết quang hệ Yêu cầu khoảng cách gương 180 mm Việc đảm bảo khoảng chác lắp giáp hồn tồn đạt Theo nhận định tác giả sai số gia công nguyên nhân chủ yếu làm giảm chất lượng hệ phi cầu Thực tế hệ phi cầu có nhiều ưu điểm vượt trội so với hệ cầu không phổ biến hệ cầu Khả cơng nghệ gia cơng bề mặt phi cầu cịn hạn chế nguyên nhận làm giảm chất lượng hệ phi cầu 62 KẾT LUẬN Sau thời gian làm việc với tinh thần nghiêm túc tác giả hướng dẫn tận tình giáo viên hướng dẫn, luận văn đạt kết sau: Một là: Tính tốn thiết kế hệ phi cầu, hệ thấu kính cầu phần mềm Zemax U U theo phương pháp cải biên Đây phương pháp mới, với ưu điểm thiết kế nhanh, xác kết trực quan thiết lập vẽ chế tạo chi tiết quang tự động Hai là: Thiết kế hoàn thiện hệ Cassegrain cho thiết bị đo xa laser.Từ việc phân U U tích, đánh giá số liệu đồ thị thấy hệ Cassegrain có chất lượng ảnh cao Hệ Cassegrain giúp tăng cự li đo xa từ 10km máy đo xa lên 30km Như luận văn giải nhiệm vụ đặt thiết hệ đo xa dùng quân với mục tiêu máy bay có cự li xa Ba là: Chế tạo hồn thiện hệ gương phi cầu Cassegrain U U Bốn là:Thực nghiệm, đánh giá chất lượng hệ Cassegrain Từ kết thực U U nghiệm thấy hệ Cassegrain có chất lượng ảnh tốt đáp ứng yêu cầu thiết kế đặt cho thiết bị đo xa laser Tuy nhiên kết thực nghiệm việc chế tạo hệ Cassegrain tồn sai số thể suy giảm hàm truyền MTF so với lí thuyết Bên cạnh thành kể luận văn tồn hạn chế sau: Một là: Do điều kiện thực tế không cho phép nên tiến hành kiểm tra U U để so sánh riêng biệt loại quang sai tạo ảnh qua hệ Cassegrain Hai : Khơng có thiết bị đo chun dụng để đánh giá chất lượng bề mặt U U gương phi cầu Parabol Hypebol khơng kết luận xác sai số bề mặt ảnh hưởng đến chất lượng ảnh hệ quang 63 Ba là: Chưa có điều kiện chế tạo tồn hệ quang thu Cassegarain cho thiết bị U U đo xa laser Do chưa thể so sánh chất lượng hệ quang Cassegrain với hệ quang thu thiết bị đo xa laser dùng Hướng phát triển đề tài: Từ khó khăn hạn chế luận văn, mở cho đề tài hướng nghiên cứu vấn đề đo lường kiểm chất lượng bề mặt phi cầu sau gia công Nghiên cứu xây dựng thiết bị đo lường chất lượng ảnh hệ quang phi câ Tiếp tục phát triển thêm hệ phi cầu khác để nâng cao chất lượng ảnh cự li đo thiết bị đo xa laser Một lần xin chân thành cảm ơn cá nhân, tập thể giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn Xin chân thành cảm ơn! 64 65 ... TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VŨ THANH TÙNG NGHIÊN CỨU , THIẾT KẾ, ỨNG DỤNG HỆ QUANG CHO THIẾT BỊ ĐỊNH VỊ KHÔNG GIAN Chuyên ngành : Chế tạo máy LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN... hệ quang có chất lượng cao mà hệ quang thiết bị đo xa dùng không đáp ứng Do cần thiết phải có hệ quang khác ưu việt so với hệ quang dùng máy đo xa Phần luận văn trình bày phân tích lựa chọn thiết. .. tích lựa chọn thiết kế hệ quang thiết bị đo xa laser 2.1 Phân tích lựa chọn thành phần hệ quang thu 2.1.1 Nhiệm vụ hệ quang thu Có dạng hệ quang thu hệ quang thu lượng hệ quang thu lượng đồng thời