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

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.

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 Tồn* Tóm tắt: Mục tiêu nghiên cứu giải pháp kĩ thuật áp dụng trình thiết kế tối ưu thiết kế quang học nhằm hạn chế ảnh hưởng hiệu ứng Narcissus Các hệ thống ảnh nhiệt sử dụng đầu thu có làm lạnh thường bị ảnh hưởng lớn hiệu ứng Narcissus, kể vùng phổ làm việc 3-5 µm [MWIR] vùng 7-14 µm [LWIR], kĩ thuật xử lí ảnh dùng để khử bất đồng (NUC) triệt tiêu hết Các kết nghiên cứu tính tốn phần mềm thiết kế quang Zemax Synopsys, ứng dụng đa dạng tốn thiết kế vật kính ảnh nhiệt cho ống nhịm, 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 ĐẶT VẤN ĐỀ Hiệu ứng Narcissus thường xuyên xuất hệ quang ảnh nhiệt, dải sóng làm việc từ 3-14 µm [1] Vết Narcissus xảy tồn độ chênh lệch nhiệt độ đầu thu mơi trường xung quanh Các đầu thu có làm lạnh có mức độ chênh lệch nhiệt khoảng 200oK (tùy cơng nghệ), đó, độ nhạy nhiệt đầu thu ảnh nhiệt thường nhỏ, thơng thường 50 mK [2, 3] Do đó, hiệu ứng Narcissus xảy mạnh (hình 1), ảnh hưởng xấu đến chất lượng ảnh Vết ảnh Narcissus coi nguồn tín hiệu nhiễu hệ thống nên hạn chế khử cách can thiệp vào thiết kế hệ thống như: mạ chống phản xạ, NUC, sử dụng bề mặt toán học phức tạp (Binary, ), giải pháp tính tốn vết Narcissus song song với q trình tối ưu bán kính từ khâu thiết kế hệ quang ảnh nhiệt Bài báo tập trung vào giải pháp tối ưu bán kính khâu thiết kế quang học nhằm hạn chế hiệu ứng Narcissus, có tính tốn mơ phần mềm thiết kế quang NỘI DUNG CHÍNH 2.1 Tổng quan hiệu ứng Narcissus Xét chất, vết Narcissus hệ tượng phản xạ ngược [4] Dấu hiệu nhận biết hiệu ứng Narcissus vết ảnh có màu trắng/ đen ảnh, hình ảnh phản chiếu khối đầu thu bề mặt chi tiết quang phía vật kính, nơi mà độ bóng bề mặt sinh hệ số phản xạ khơng mong muốn [3, 5] a) b) Hình Hình ảnh so sánh chất lượng ảnh trước (a) sau áp dụng kĩ thuật khử hiệu ứng Narcissus (b) Khi chưa áp dụng giải pháp kĩ thuật để hạn chế, vết ảnh Narcissus xuất phổ biến, hệ camera ảnh nhiệt sử dụng đầu thu không làm lạnh (khi chưa NUC), nhiên, mức độ rõ ràng nghiêm trọng tăng mức độ chênh lệch nhiệt độ đầu thu Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 74, - 2021 99 Vật lý khối vật kính Dấu hiệu nhận biết vết “bóng mờ” (bóng ma) có màu trắng đen xuất bất thường, không bị ảnh hưởng thay đổi không gian vật, hình (a) [1] Các vết ảnh Narcissus có hình dáng, kích thước, độ đậm nhạt khác phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: tham số kết cấu hệ quang, hệ số phản xạ bề mặt chi tiết quang cụm vật kính, kích thước đầu thu, mức độ chênh lệch nhiệt độ đầu thu phần lại hệ quang [6] Hình Tính tốn đường truyền tia phản xạ ngược (Narcissus) bề mặt [4] Phương pháp đánh giá mức độ ảnh hưởng hiệu ứng Narcissus:  Thông qua thông số cận trục YNI tỉ lệ i/i' đánh giá sơ đóng góp bề mặt hệ quang lên hiệu ứng Narcissus Trong đó, thơng số YNI (tích đại lượng y, n, i) bề mặt khúc xạ, xác định qua bất biến Lagrange sau [7]: I  yr nu  ynur I  2 yni (1) Trong đó: I – Bất biến Lagrange; y , yr - Chiều cao tia biên xuất phát từ vật điểm thuộc quang trục qua mép đường kính độ bề mặt xét tia biên độ theo đường truyền ngược phản xạ tiêu diện; n – Chiết suất; u, ur – Góc tới tia biên độ xuất phát từ vật điểm trục tia biên phản xạ trở lại tiêu diện; i – Góc tới tia biên phản xạ trở lại đầu thu Mặt khác: sinu r  u  2i y  yr (2) Qua đó, xác định được: yni  yr' 2f # (3) - Kích thước vết Narcissus vật điểm trục tính sau: yr'  4 ynf # (4) - Tỷ lệ i / i ' xác định kích thước ảnh Narcissus hình, với i' góc tới tia bề mặt phản xạ Giá trị |YNI| |i/i’| nhỏ hiệu ứng Narcissus rõ ràng Muốn khống chế vết Narcissus cần kiểm sốt giá trị |YNI| |i/i’ |  Hiệu nhiệt độ tương đương hiệu ứng Narcissus gây pixel i (trên đầu thu) phản xạ tất bề mặt quang học hệ thống quang học kí hiệu NITDi xác định theo tài liệu [4, 7] Công thức xác định giá trị NITD dùng để mơ 100 Đặng Chí Tồn, “Áp dụng phương pháp tối ưu quang học … thiết bị ảnh nhiệt.” Nghiên cứu khoa học công nghệ vết Narcissus thiết kế không phần mềm Zemax 2.2 Các kĩ thuật để giảm hiệu ứng Narcissus 2.2.1 Mạ chống phản xạ Sử dụng thiết kế mạ đa lớp để tăng hệ số truyền qua Giải pháp chưa thực 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 (Non-Uniform Correction) pixel để khử nhiễu Narcissus hệ ảnh nhiệt sử dụng đầu thu không làm lạnh [1, 2] Kỹ thuật khử vết Narcissus cách hoàn toàn triệt áp dụng cho hệ ảnh nhiệt sử dụng đầu thu có làm lạnh vật kính ZOOM 2.2.3 Sử dụng bề mặt toán học đặc biệt Các bề mặt thiết kế phi cầu với hệ số Conic kết hợp biên dạng đặc biệt dạng Binary, hạn chế làm tán xạ tia sáng truyền theo chiều ngược lại Phương pháp làm tăng độ phức tạp chi phí chế tạo, đo kiểm 2.2.4 Tối ưu lại bán kính bề mặt thấu kính để khử Narcissus Kết hợp tối ưu loại quang sai tối ưu khử Narcissus để hạn chế triệt để mức độ ảnh hưởng hiệu ứng Narcissus với giá trị ngưỡng vết Narcissus hệ số YNI = 0,229 [2] Ngoài ra, giá trị |i’/i| nhỏ vết Narcissus tập trung lượng 2.3 Thiết kế tối ưu hệ quang nhằm khống chế vết Narcissus Để chứng minh hiệu giải pháp, tác giả sử dụng ví dụ hệ quang ảnh nhiệt 05 thành phần [2], có thơng số hệ thống tham số kết cấu bảng 1, 2, bước sóng 10  m Bảng Thông số hệ thống hệ quang xuất phát Bảng Tham số kết cấu hệ quang ảnh nhiệt chưa tối ưu vết Narcissus Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 74, - 2021 101 Vật lý Hình Hình ảnh kết cấu 2D hệ quang ảnh nhiệt chưa tối ưu Narcissus Hình Biểu đồ MTF nhiễu xạ hệ quang chưa tối ưu Narcissus Sau tính tốn, giá trị đặc trưng cho vết Narcissus bề mặt thấu kính quang học thể bảng bên Bảng Giá trị ảnh hưởng Narcissus bề mặt thấu kính Theo bảng 3, bề mặt thứ có hệ số YNI = 6,156*10-4 bề mặt thứ có giá trị YNI 0,1504 nhỏ giá trị Narcissus ngưỡng cho phép Giá trị |i/i’| bề mặt thứ 3,0729*10-4 nhỏ khoảng 3000 lần so với 1, khẳng định vết Narcissus bề mặt thứ chủ yếu Do đó, cần tập trung tối ưu vào bề mặt này, sử dụng kĩ thuật khống chế kích thước để tăng giá trị bán kính hai bề mặt để giảm hiệu ứng phản xạ ngược, 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 file Macro hình Hình Hình ảnh file lệnh Macro chứa lệnh tối ưu nhằm khống chế ảnh hưởng vết Narcissus – phần mềm SynOpSys 102 Đặng Chí Tồn, “Áp dụng phương pháp tối ưu quang học … thiết bị ảnh nhiệt.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Bảng Thông số hệ thống hệ quang sau tối ưu Bảng Tham số kết cấu hệ quang ảnh nhiệt sau tối ưu Narcissus Bảng Các giá trị đặc trưng mức độ ảnh hưởng hiệu ứng Narcissus theo bề mặt thấu kính quang Giá trị ảnh hưởng vết Narcissus theo bảng Nhận thấy bề mặt đạt YNI = 0,2353; bề mặt đạt YNI = 0,2387 lớn giá trị ngưỡng tối thiểu Narcissus yêu cầu (0,229) Giá trị |i/i’| bề mặt thứ cải thiện rõ rệt, tăng gấp 30 lần giá trị |i/i’| bề mặt thứ tăng gấp lần Xét kết cấu hệ thống chất lượng hàm MTF nhiễu xạ hệ sau tối ưu: Hình Hình ảnh kết cấu hệ quang sau tối ưu Narcissus Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 74, - 2021 103 Vật lý Hình ảnh kết cấu hệ quang 2D trước sau tương đồng, khơng thay đổi nhiều Hình Biểu đồ giá trị hàm MTF nhiễu xạ hệ sau tối ưu Narcissus Hàm truyền MTF nhiễu xạ hệ (hình 7) đạt giá trị tốt, tiệm cận so với giới hạn nhiễu xạ lí thuyết, khơng thay đổi nhiều so với hàm MTF hình Nhận xét: Sau trình tối ưu, kết cho thấy hiệu giải pháp khống chế hiệu ứng Narcissus thiết kế hệ quang ảnh nhiệt cố định, thông số hệ thống kết cấu không đổi Đối với hệ quang ảnh nhiệt zoom có làm lạnh, việc tối ưu khử Narsissus theo bán kính phải tiến hành tất cấu hình zoom cho đồng thời thỏa mãn chất lượng hệ quang trường nhìn khác Khi đó, để sử dụng phương pháp này, người thiết kế cần có kinh nghiệm tối ưu thấu kính hệ đa cấu hình KẾT LUẬN Trên sở lí thuyết tượng phản xạ ngược ảnh hưởng hiệu ứng Narcissus hệ quang ảnh nhiệt có làm lạnh, tác giả phân tích đưa giải pháp thực khống chế vết Narcissus trình tối ưu thiết kế hệ quang Ví dụ q trình tối ưu chứng minh hiệu khống chế vết Narcissus mà không làm ảnh hưởng nhiều đến chất lượng ảnh tham số kết cấu hệ thống Kết nghiên cứu ứng dụng vào thực tiễn để làm giảm ảnh hưởng vết Narcissus mà không cần sử dụng đến công nghệ đắt tiền, giúp tiết kiệm giá thành sản phẩm cuối 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 (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 … thiết bị ảnh nhiệt.” Nghiên cứu khoa học công nghệ [6] M Nadeem Akram, “Simulation and control of narcissus phenomenon using nonsequential ray tracing I Staring camera in 𝟥–𝟧 μ𝗆 waveband”, Applied Optics Vol 49, Issue (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 ngày 13 tháng năm 2021 Hoàn thiện ngày 26 tháng năm 2021 Chấp nhận đăng ngày 29 tháng năm 2021 Địa chỉ: Viện Vũ Khí, Tổng Cục CNQP *Email: dangchitoanchk28@gmail.com Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 74, - 2021 105 ... Đặng Chí Tồn, ? ?Áp dụng phương pháp tối ưu quang học … thiết bị ảnh nhiệt. ” Nghiên cứu khoa học công nghệ vết Narcissus thiết kế không phần mềm Zemax 2.2 Các kĩ thuật để giảm hiệu ứng Narcissus 2.2.1... lệnh tối ưu file Macro hình Hình Hình ảnh file lệnh Macro chứa lệnh tối ưu nhằm khống chế ảnh hưởng vết Narcissus – phần mềm SynOpSys 102 Đặng Chí Toàn, ? ?Áp dụng phương pháp tối ưu quang học … thiết. .. ứng Narcissus hệ quang ảnh nhiệt có làm lạnh, tác giả phân tích đưa giải pháp thực khống chế vết Narcissus q trình tối ưu thiết kế hệ quang Ví dụ trình tối ưu chứng minh hiệu khống chế vết Narcissus