Tổng quan luận án

Hệ thống thiết bị ảnh nhiệt (TBAN) hoạt động trong các dải phổ hồng ngoại, đặc biệt là dải sóng dài (LWIR, $8 - 12\ \mu\text{m}$), giữ vai trò then chốt trong quan sát, trinh sát, đo đạc và ngắm bắn mục tiêu. Ưu điểm của thiết bị ảnh nhiệt là khả năng thu nhận bức xạ nhiệt tự thân của đối tượng, phân biệt chênh lệch nhiệt độ tới cỡ vài chục mili-Kelvin, hoạt động trong đêm tối hoàn toàn, xuyên qua sương mù, khói và không bị vô hiệu hóa bởi chiếu sáng gây nhiễu thông thường.

Tại Việt Nam, năng lực thiết kế và chế tạo các khí tài quang học nhìn ngày và khí tài quang nhìn đêm sử dụng nguyên lý khuếch đại ánh sáng yếu đã có những bước tiến đáng kể. Tuy nhiên, việc nghiên cứu, làm chủ công nghệ thiết kế và chế tạo thiết bị ảnh nhiệt vẫn là bài toán mới. Đi đôi với quá trình chế tạo, việc phát triển các thiết bị đo lường và kiểm tra chất lượng quang học là điều kiện tiên quyết. Hiện nay, các cơ sở nghiên cứu trong nước (như Cục Tiêu chuẩn - Đo lường - Chất lượng, Viện Khoa học và Công nghệ quân sự) mới chỉ được trang bị hệ thống kiểm tra thông số của camera ảnh nhiệt hoàn chỉnh, chưa có thiết bị chuyên dụng để đo kiểm các thông số quang học cơ bản của thấu kính hoặc vật kính ảnh nhiệt (như tiêu cự, hàm nhòe đường LSF, hàm truyền điều biến MTF, độ phân giải). Mặt khác, các hệ thống đo thương mại của nước ngoài có giá thành rất cao. Bên cạnh đó, các biến dạng cơ - quang học do lực gá kẹp cơ khí tác động lên bề mặt linh kiện quang học gây suy giảm chất lượng mặt sóng chưa được xây dựng thành quy trình tính toán và kiểm chứng cụ thể.

Do đó, luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "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 $8-12\ \mu\text{m}$" của tác giả Trần Anh Quang, chuyên ngành Kỹ thuật cơ khí (Mã số: 9 52 01 03), thực hiện tại Học viện Kỹ thuật Quân sự dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Lê Duy Tuấn và PGS. TS. Lê Hoàng Hải (năm 2023), đã giải quyết các yêu cầu cấp thiết trên.

Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

  • Mục tiêu nghiên cứu: Xây dựng giải pháp khoa học và mô hình thiết bị nhằm đánh giá chất lượng tạo ảnh của hệ thống quang học (HTQH) ảnh nhiệt làm việc trong vùng phổ hồng ngoại $8 - 12\ \mu\text{m}$.
  • Nội dung nghiên cứu:
    1. Nghiên cứu các phương pháp đánh giá chất lượng ảnh của hệ thống quang học ảnh nhiệt để lựa chọn phương pháp đo phù hợp.
    2. Nghiên cứu ảnh hưởng của cơ cấu gá lắp cơ khí đến quang sai mặt sóng của linh kiện quang học phục vụ công tác thiết kế, chế tạo các thành phần trong hệ thống.
    3. Xây dựng mô hình thiết bị đánh giá chất lượng tạo ảnh của hệ thống quang học làm việc trong vùng phổ hồng ngoại $8 - 12\ \mu\text{m}$.
    4. Nghiên cứu thuật toán xử lý ảnh nhằm xác định hàm nhòe đường (LSF) và hàm truyền điều biến (MTF) của hệ thống quang học cần kiểm tra.
    5. Khảo sát, đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả đo của mô hình thiết bị.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Mô hình thiết bị đánh giá chất lượng tạo ảnh của hệ thống quang học làm việc trong vùng hồng ngoại $8 - 12\ \mu\text{m}$.
  • Phạm vi nghiên cứu: Tập trung vào các hệ thống quang học ảnh nhiệt và linh kiện làm việc trong dải phổ hồng ngoại sóng dài LWIR ($8 - 12\ \mu\text{m}$).

Phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp giữa phương pháp nghiên cứu tính toán lý thuyết và phương pháp thực nghiệm:

  • Phương pháp lý thuyết: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết quang sóng, quang hình học, biến đổi Fourier, phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) và đa thức Zernike Standard; tính toán thiết kế quang - cơ khí; xây dựng thuật toán xử lý ảnh số để tính toán các hàm LSF và MTF.
  • Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo cụm cơ cấu gá kẹp gương cầu để kiểm chứng phương pháp tính ảnh hưởng của lực gá lắp đối với quang sai mặt sóng bằng giao thoa kế Zygo; gia công, chế tạo hệ chuẩn trực phản xạ và vật kính hiển vi hồng ngoại; lắp ráp hoàn chỉnh mô hình thiết bị và thực nghiệm đo kiểm các mẫu vật kính ảnh nhiệt thực tế.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Thiết bị ảnh nhiệt đã trải qua ba thế hệ phát triển kỹ thuật:

  • Thế hệ I (cuối thập niên 1960 - đầu 1970): Sử dụng các đầu thu đơn phần tử ghép thành dãy kết hợp với cơ cấu quét cơ khí quang học phức tạp. Cuối thập niên 1970 xuất hiện công nghệ SPRITE và mạch tích hợp CCD giúp đơn giản hóa bộ quét.
  • Thế hệ II (thập niên 1980): Đầu thu dạng ma trận với số lượng hàng ngàn phần tử, tích hợp mạch đọc và xử lý tín hiệu bán dẫn không dây dẫn, giảm bớt sự phức tạp của cơ cấu quét cơ nhưng chưa loại bỏ hoàn toàn.
  • Thế hệ III (cuối thập niên 1980 đến nay): Bộ phận thu là ma trận mạng phẳng hội tụ (FPA - Focal Plane Array) với số lượng hàng vạn đến hàng triệu điểm ảnh ($128 \times 128$, $256 \times 256$, $320 \times 240$,...), loại bỏ hoàn toàn hệ quét cơ khí, xử lý tín hiệu thời gian thực.

Trong lý thuyết đánh giá chất lượng hệ thống quang học, bốn đại lượng đặc trưng được sử dụng gồm:

  • Hàm nhòe điểm (PSF - Point Spread Function): Phân bố cường độ của ảnh tạo bởi một điểm vật lý tưởng. Khi không có quang sai, phân bố này tạo thành đĩa Airy với cực đại trung tâm chiếm $83,8%$ tổng năng lượng. Phương pháp đo PSF trực tiếp gặp trở ngại lớn về suy giảm năng lượng khi ánh sáng đi qua lỗ kích thước micromet, đòi hỏi đầu thu độ nhạy cao và dễ bị giới hạn bởi tần số lấy mẫu Nyquist.
  • Hàm nhòe đường (LSF - Line Spread Function): Tích phân của hàm PSF theo một phương, sử dụng vật mẫu dạng khe sáng hẹp, năng lượng truyền qua cao hơn nhiều so với điểm, cho phép xác định hàm truyền điều biến MTF thông qua biến đổi Fourier một chiều.
  • Hàm nhòe cạnh (ESF - Edge Spread Function): Phân bố cường độ của ảnh tạo bởi một cạnh chuyển tiếp sáng - tối. Hàm LSF được tính bằng cách lấy vi phân của hàm ESF, dẫn đến việc tăng sai số tính toán qua bước trung gian.
  • Hàm truyền điều biến (MTF - Modulation Transfer Function): Tỷ số giữa độ tương phản của ảnh và độ tương phản của vật theo tần số không gian, là tiêu chuẩn khách quan để đánh giá độ sắc nét và độ phân giải của hệ quang.
Phương pháp đo Vật mẫu sử dụng Mối quan hệ toán học với MTF Ưu điểm Hạn chế
Hàm nhòe điểm (PSF) Lỗ nhỏ kích thước micromet Biến đổi Fourier 2 chiều: $\text{MTF} = |\mathcal{F}_{2D}{\text{PSF}}|$ Chứa toàn bộ thông tin tạo ảnh 2 chiều Năng lượng rất yếu, đầu thu đắt tiền, nhạy cảm với nhiễu và tần số Nyquist
Hàm nhòe đường (LSF) Khe hẹp vô cùng Biến đổi Fourier 1 chiều: $\text{MTF} = |\mathcal{F}_{1D}{\text{LSF}}|$ Năng lượng truyền qua tốt, thuật toán trực tiếp Đánh giá chất lượng theo từng phương đơn lẻ
Hàm nhòe cạnh (ESF) Mia dạng nửa sáng - nửa tối (cạnh thẳng/nghiêng) Lấy vi phân thành LSF, sau đó biến đổi Fourier 1 chiều Gia công mẫu tiêu chuẩn đơn giản Tăng sai số do phép tính vi phân và làm khớp hàm thực nghiệm

Trên thế giới, các thiết bị đo kiểm hệ quang ảnh nhiệt thương mại tiêu biểu bao gồm:

  • LensCheck LWIR (Optikos - Hoa Kỳ): Sử dụng hệ chuẩn trực khúc xạ, đo hàm LSF để tính toán MTF thời gian thực. Hạn chế của hệ chuẩn trực khúc xạ là vật liệu làm việc vùng hồng ngoại đắt tiền và khẩu độ thông quang bị giới hạn.
  • ORI (Inframet - Ba Lan): Sử dụng hệ chuẩn trực phản xạ hai gương (gương parabol và gương phẳng) kết hợp nguồn vật đen tuyệt đối, áp dụng phương pháp đo hàm ESF trên toàn dải phổ từ VIS đến LWIR.
  • ImageMaster Universal (Trioptics - Đức): Thiết bị dạng mô-đun nằm ngang, sử dụng hệ chuẩn trực phản xạ và phương pháp đo hàm LSF trong dải UV đến LWIR.

Về ảnh hưởng của kết cấu cơ khí gá kẹp đến linh kiện quang học, các nghiên cứu từ trước của Schwesinger (1954), Malvick, Hatheway, Xu Rongwei, Chia-Yen Chan đã phân tích biến dạng đàn hồi của gương quang học kích thước lớn bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Tuy nhiên, các công trình này chủ yếu dừng lại ở mức mô phỏng chuyển vị mà chưa đưa ra một phương pháp hoàn chỉnh để chuyển tiếp kết quả biến dạng nút vào phần mềm thiết kế quang học chuyên dụng nhằm tính toán trực tiếp quang sai mặt sóng, đồng thời thiếu thực nghiệm đối chứng chi tiết dưới các mức tải trọng cụ thể.

Luận án của NCS. Trần Anh Quang giải quyết khoảng trống này bằng cách thiết lập chu trình tính toán liên kết giữa phần mềm phần tử hữu hạn ANSYS, phần mềm trung gian tự lập trình trên Delphi để xác định hệ số đa thức Zernike Standard, và phần mềm quang học Zemax; từ đó chế tạo thành công mô hình đo kiểm hệ quang ảnh nhiệt tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết quang học và quang sai mặt sóng

Theo quang học sóng, mặt sóng lý tưởng đi ra khỏi một hệ thống quang học hội tụ có dạng mặt cầu. Sự sai khác giữa mặt sóng thực tế và mặt sóng cầu lý tưởng tại đồng tử ra được gọi là sai sóng hay quang sai mặt sóng.

Biểu diễn phân bố cường độ ảnh của vật thể $I(x,y)$ qua hệ thống quang học có hàm nhòe điểm $h(x', y')$ và độ phóng đại $V$: $$I'(x',y') = I(x,y) * h(x',y') = \iint_{-\infty}^{+\infty} I(x,y) h(x' - Vx, y' - Vy), dx, dy$$

Hàm truyền quang học (OTF) của hệ thống là biến đổi Fourier của hàm nhòe điểm: $$\text{OTF}(\nu) = \iint_{-\infty}^{+\infty} e^{-i 2\pi \nu x} h(x,y), dx, dy$$

Khi bỏ qua ảnh hưởng của hàm truyền pha (giả thiết $\text{PTF} = 0$), hàm truyền điều biến MTF chính là mô-đun của hàm OTF: $$\text{MTF}(\nu) = |\text{OTF}(\nu)|$$

Hàm nhòe đường LSF theo phương $x$ là tích phân của hàm nhòe điểm theo trục $y$: $$\text{LSF}(x) = \int_{-\infty}^{+\infty} h(x,y), dy$$

Cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn (FEM)

Phương pháp phần tử hữu hạn giải bài toán biến dạng đàn hồi của linh kiện quang học dưới tác dụng của lực gá kẹp và trọng lượng bản thân. Phương trình cân bằng tổng quát của kết cấu: $$[M]{\ddot{q}} + [C]{\dot{q}} + [K]{q} = {F}$$

Trong bài toán tĩnh học gá kẹp, phương trình rút gọn về dạng: $$[K]{q} = {F}$$ Trong đó:

  • $[K]$ là ma trận độ cứng tổng thể của linh kiện quang học.
  • ${q}$ là véc-tơ chuyển vị của các nút phần tử trên bề mặt.
  • ${F}$ là véc-tơ ngoại lực tác dụng (lực kẹp cơ khí, lực xiết bu lông, phản lực liên kết).

Quy trình tính toán quang sai mặt sóng kết hợp (ANSYS - Delphi - Zemax)

Quy trình tính toán liên kết được thực hiện qua các bước:

  1. Mô hình hóa cơ khí: Xây dựng mô hình hình học linh kiện quang học và cơ cấu gá kẹp trong phần mềm ANSYS; gán thông số vật liệu, điều kiện biên và lực kẹp.
  2. Tính toán chuyển vị: ANSYS thực hiện chia lưới phần tử hữu hạn và xuất ra tọa độ cùng độ chuyển vị $\Delta z$ của toàn bộ các điểm nút trên bề mặt làm việc của linh kiện.
  3. Làm khớp bề mặt bằng đa thức Zernike: Sử dụng phần mềm viết trên ngôn ngữ Delphi, thực hiện thuật toán bình phương tối thiểu để khớp độ biến dạng bề mặt vào chuỗi đa thức Zernike Standard: $$W(\rho, \theta) = \sum_{j=1}^{N} A_j M_j(\rho, \theta)$$ Trong đó $A_j$ là các hệ số Zernike Standard, $M_j(\rho, \theta)$ là các đa thức trực chuẩn trên hình tròn đơn vị biểu thị các dạng quang sai (cầu sai, coma, loạn thị, méo ảnh,...).
  4. Mô phỏng quang sai trên Zemax: Nhập các hệ số $A_j$ vào bề mặt quang học dạng Zernike Standard Phase hoặc Zernike Fringe Sag trong phần mềm Zemax để tính toán giá trị quang sai mặt sóng PV (Peak to Valley) và RMS (Root Mean Squared) của linh kiện và toàn bộ hệ thống.
+-------------------------------------------------------------+
|               THIẾT KẾ KẾT CẤU GÁ LẮP CƠ KHÍ                |
+-------------------------------------------------------------+
                              |
                              v
+-------------------------------------------------------------+
|   PHẦN MỀM ANSYS: Mô hình hóa, chia lưới, tính chuyển vị    |
|               các điểm nút trên bề mặt linh kiện            |
+-------------------------------------------------------------+
                              |
                              v
+-------------------------------------------------------------+
|   PHẦN MỀM DELPHI: Làm khớp biên dạng bề mặt biến dạng,      |
|             xác định các hệ số đa thức Zernike Standard     |
+-------------------------------------------------------------+
                              |
                              v
+-------------------------------------------------------------+
|   PHẦN MỀM ZEMAX: Nhập hệ số Zernike, mô phỏng và tính      |
|             quang sai mặt sóng (PV, RMS) của hệ quang       |
+-------------------------------------------------------------+
                              |
                              v
+-------------------------------------------------------------+
|   THỰC NGHIỆM ĐỐI CHỨNG: Đo kiểm quang sai mặt sóng bằng     |
|             giao thoa kế Zygo (bước sóng 0,6328 µm)         |
+-------------------------------------------------------------+

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: 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

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận về thiết bị ảnh nhiệt, nguyên lý cấu tạo của đầu thu (core ảnh nhiệt) và ống kính quang học. Luận án phân tích chi tiết bốn phương pháp đánh giá chất lượng ảnh (PSF, LSF, ESF, MTF) và khảo sát các hệ thống đo quốc tế (LensCheck LWIR, ORI, ImageMaster Universal).

Từ phân tích kỹ thuật, tác giả xác định phương án xây dựng mô hình:

  • Phương pháp đo: Chọn phương pháp đo hàm nhòe đường LSF để xác định hàm MTF nhờ ưu điểm tín hiệu năng lượng đủ lớn, không làm tăng sai số tính toán qua vi phân như ESF.
  • Cấu hình hệ thống: Lựa chọn hệ chuẩn trực phản xạ hai gương (gương chính lệch trục và gương phẳng thứ cấp). Cấu hình này khắc phục được hiện tượng sắc sai, làm việc trong dải phổ rộng ($1 - 15\ \mu\text{m}$ bao trùm SWIR, MWIR, LWIR), giá thành chế tạo thấp hơn so với hệ chuẩn trực khúc xạ đường kính lớn.
  • Yêu cầu kỹ thuật các khối chức năng:
    • Hệ chuẩn trực: Sai số gia công bề mặt gương nhỏ hơn $\lambda/10$; tiêu cự lớn hơn ít nhất 5 lần tiêu cự hệ quang cần thử; khẩu độ lớn hơn ít nhất $10%$ khẩu độ hệ quang cần kiểm tra (chọn dải khẩu độ $100 - 200\text{ mm}$, số F từ 5 đến 12).
    • Nguồn vật đen tuyệt đối: Sử dụng vật đen nhiệt điện phần tử Peltier (TEC) có dải nhiệt độ $-25^\circ\text{C}$ đến $+75^\circ\text{C}$, độ phân giải nhiệt độ $0,1\text{ mK}$, độ ổn định $1\text{ mK}$, độ đồng nhất $10\text{ mK}$, độ phát xạ đạt $> 0,97$.
    • Mia mục tiêu: Các mẫu mia khe, lỗ nhỏ và mia kiểm tra tiêu cự (mia chữ H).
    • Hệ thu nhận và xử lý ảnh: Gồm vật kính hiển vi hồng ngoại phóng đại, camera nhiệt, bộ lấy khung hình (Frame Grabber) và máy tính xử lý.

Chương 2: Phương pháp tính ảnh hưởng của kết cấu gá lắp đến quang sai mặt sóng của linh kiện quang học

Chương 2 trình bày chi tiết thuật toán và quy trình tính toán liên kết ANSYS - Delphi - Zemax để xác định định lượng ảnh hưởng của lực kẹp cơ khí đến chất lượng bề mặt quang học.

Để kiểm chứng phương pháp lý thuyết, tác giả tiến hành thực nghiệm trên linh kiện mẫu là một gương cầu:

  • Thiết lập mô hình gá kẹp gương cầu trên ANSYS, đặt các mức lực kẹp tác dụng (từ $0\text{ N}$ đến $200\text{ N}$).
  • Trích xuất tọa độ nút và chuyển vị trên bề mặt gương, chạy chương trình Delphi tính các hệ số Zernike Standard $A_j$.
  • Đưa hệ số vào Zemax tính toán quang sai mặt sóng tại bước sóng chuẩn $\lambda = 0,6328\ \mu\text{m}$.
  • Chế tạo đồ gá cơ khí thực tế và đo quang sai mặt sóng thực nghiệm của gương cầu dưới các mức lực kẹp bằng giao thoa kế Zygo.

Kết quả so sánh giữa lý thuyết mô phỏng và thực nghiệm đo trên giao thoa kế Zygo cho thấy sự tương đồng cao về cả hình thái biến dạng và độ lớn của các chỉ số quang sai đỉnh - đáy (PV) và bình phương trung bình (RMS).

Chương 3: Xây dựng mô hình thiết bị đánh giá chất lượng tạo ảnh của hệ thống quang học làm việc trong vùng phổ hồng ngoại 8-12 µm

Chương 3 tập trung vào thiết kế, tính toán tối ưu và chế tạo các cụm thành phần chính của mô hình đo kiểm:

1. Thiết kế và chế tạo hệ chuẩn trực phản xạ hồng ngoại

  • Hệ quang: Tính toán thiết kế hệ quang chuẩn trực phản xạ ngoài trục sử dụng gương cầu kết hợp gương phẳng thứ cấp để đổi hướng tia; xác định quan hệ giữa chiều cao và vị trí gương thứ cấp nhằm tránh chắn chùm tia khẩu độ và chùm tia thị giới.
  • Kết cấu cơ khí: Ứng dụng phương pháp đã đề xuất ở Chương 2 để phân tích chịu lực gá kẹp gương, thiết kế cải tiến cụm gá gương thứ cấp và gương chính nhằm triệt tiêu mô-men gây biến dạng mặt gương.
  • Lắp ráp và hiệu chỉnh: Căn chỉnh hệ chuẩn trực bằng kính kinh vĩ và giao thoa kế Zygo. Bản đồ sai sóng của ống chuẩn trực sau khi hiệu chỉnh đạt tiêu chuẩn chất lượng mặt sóng yêu cầu.

2. Thiết kế và chế tạo vật kính hiển vi hồng ngoại

  • Do ảnh tạo bởi hệ quang cần kiểm tra có kích thước nhỏ, cần một vật kính hiển vi hồng ngoại để phóng đại ảnh trung gian lên bề mặt cảm biến ma trận của camera nhiệt.
  • Thiết kế hệ quang vật kính hiển vi theo sơ đồ thấu kính aplanat (triệt tiêu cầu sai và coma bậc một) làm việc trong dải phổ $8 - 12\ \mu\text{m}$.
  • Chế tạo thấu kính từ vật liệu quang học hồng ngoại (Germanium); đo kiểm kích thước hình học, sai số bán kính cong và độ bóng bề mặt. Quy đổi sai số hình dạng bề mặt thấu kính sang bước sóng trung tâm làm việc $\lambda_{\text{IR}} = 10,6\ \mu\text{m}$ sử dụng laser $\text{CO}_2$.

Chương 4: Các kết quả thực nghiệm

Chương 4 công bố toàn bộ quy trình thử nghiệm hoạt động của từng khối chức năng và toàn bộ mô hình đo kiểm:

  1. Thực nghiệm hệ chuẩn trực: Đánh giá độ song song của chùm tia ra và đo quang sai mặt sóng của gương chuẩn trực bằng giao thoa kế Zygo.
  2. Thực nghiệm vật kính hiển vi hồng ngoại: Xác định độ phóng đại thực tế của vật kính hiển vi; kiểm tra khả năng thu nhận ảnh của các lỗ nhỏ đường kính $0,3175\text{ mm}$ và $10\ \mu\text{m}$.
  3. Đo tiêu cự của vật kính ảnh nhiệt: Sử dụng mia dạng chữ H đặt tại tiêu diện hệ chuẩn trực, thu nhận ảnh và tính toán tiêu cự thực tế của mẫu vật kính ảnh nhiệt cần kiểm tra.
  4. Đo hàm nhòe đường LSF và hàm truyền điều biến MTF:
    • Thu nhận ảnh vết của mia khe hẹp qua hệ quang cần kiểm tra (ví dụ vật kính ảnh nhiệt thương mại FLIR) và vật kính hiển vi.
    • Thực hiện thuật toán xử lý ảnh số: trừ phông nền nhiệt, lọc nhiễu, chuẩn hóa mức xám, trích xuất dữ liệu phân bố cường độ sáng 1D để thu được hàm LSF.
    • Áp dụng biến đổi Fourier rời rạc 1 chiều (1D-DFT) trên hàm LSF để tính toán đường cong hàm truyền điều biến MTF thực nghiệm.
    • So sánh kết quả MTF thực nghiệm với đồ thị MTF do nhà sản xuất vật kính công bố và đường cong thiết kế lý thuyết, phân tích các yếu tố ảnh hưởng như phạm vi lấy mẫu (ROI) và độ nhạy của cảm biến.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án đã đạt được các kết quả khoa học và đóng góp mới sau:

  1. Về mặt phương pháp luận: Xây dựng thành công phương pháp luận khoa học và quy trình tính toán liên kết (ANSYS - Delphi - Zemax) để xác định định lượng ảnh hưởng của kết cấu gá lắp cơ khí đến biến dạng bề mặt và quang sai mặt sóng của linh kiện quang học. Phương pháp đã được kiểm chứng thực nghiệm bằng giao thoa kế Zygo và có thể áp dụng mở rộng cho nhiều loại linh kiện quang học khác nhau (gương cầu, gương phẳng, thấu kính).
  2. Về mặt kỹ thuật và chế tạo: Thiết kế, tính toán cơ - quang tối ưu và chế tạo thành công mô hình thiết bị đo kiểm hệ thống quang học làm việc trong dải phổ hồng ngoại $8 - 12\ \mu\text{m}$ trong điều kiện công nghệ tại Việt Nam, bao gồm:
    • Hệ chuẩn trực phản xạ ngoài trục có dải phổ rộng, không có sắc sai.
    • Vật kính hiển vi hồng ngoại aplanat phóng đại ảnh vết nhiệt.
    • Hệ thống gá đặt và hiệu chỉnh quang cơ chính xác cao.
  3. Về mặt thuật toán và phần mềm: Phát triển phần mềm tính toán hệ số Zernike Standard từ dữ liệu phần tử hữu hạn và xây dựng thuật toán xử lý ảnh chuyên dụng để trích xuất hàm LSF và tính toán hàm MTF của vật kính ảnh nhiệt từ ảnh thực nghiệm.

Bảng tổng hợp các thông số và ký hiệu chính trong luận án

Ký hiệu Tên gọi / Diễn giải Đơn vị
$R$ Bán kính cong của linh kiện quang học $\text{mm}$
$d$ Chiều dày dọc trục của thấu kính / gương $\text{mm}$
$f'$ Tiêu cự của hệ thống quang học $\text{mm}$
$D$ Đường kính thông quang $\text{mm}$
$2\omega$ Góc thị giới (trường nhìn) Độ ($^\circ$)
$\beta$ Độ phóng đại của vật kính hiển vi Lần
$\lambda$ Bước sóng bức xạ $\mu\text{m}$
$A_j$ Hệ số khai triển của đa thức Zernike Standard thứ $j$ Không thứ nguyên
$M_j(\rho, \theta)$ Đa thức Zernike Standard trực chuẩn Không thứ nguyên
$\text{PV}$ Giá trị quang sai đỉnh - đáy (Peak to Valley) $\lambda$ hoặc $\mu\text{m}$
$\text{RMS}$ Giá trị sai lệch căn bậc hai trung bình (Root Mean Squared) $\lambda$ hoặc $\mu\text{m}$
$\text{NA}$ Khẩu độ số (Numerical Aperture) Không thứ nguyên
$[K], {F}, {q}$ Ma trận độ cứng tổng thể, véc-tơ ngoại lực, véc-tơ chuyển vị nút $\text{N/m}, \text{N}, \text{m}$

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Đề tài mới dừng lại ở mức độ xây dựng mô hình thiết bị nghiên cứu trong phòng thí nghiệm (laboratory prototype), chưa tích hợp thành một thiết bị đo lường thương mại hoàn chỉnh có kết cấu khung vỏ bao kín toàn bộ hệ thống.
    • Một số thành phần như nguồn bức xạ vật đen tuyệt đối và khối core cảm biến ảnh nhiệt sử dụng các mô-đun có sẵn trong phòng thí nghiệm.
    • Phạm vi thực nghiệm tập trung vào dải phổ hồng ngoại sóng dài ($8 - 12\ \mu\text{m}$).
  • Hướng nghiên cứu tiếp theo:
    • Nghiên cứu thiết kế và chế tạo kết cấu cơ khí tích hợp toàn bộ hệ thống thành thiết bị đo lường công nghiệp hoàn chỉnh, tính toán ảnh hưởng biến dạng của khung thân gá đỡ tổng thể tương tự các thiết bị thương mại LensCheck hay ORI.
    • Mở rộng phạm vi đo kiểm sang các dải phổ hồng ngoại khác như sóng ngắn (SWIR, $1 - 3\ \mu\text{m}$) và sóng trung (MWIR, $3 - 5\ \mu\text{m}$).
    • Tự động hóa quá trình dịch chuyển mục tiêu, lấy nét tự động và nâng cấp phần mềm đo lường thời gian thực.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao đối với:

  1. Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Chuyên ngành Kỹ thuật cơ khí, Cơ kỹ thuật, Cơ điện tử, Quang kỹ thuật và Kỹ thuật Khí tài quân sự; đặc biệt là phương pháp tính toán tương tác cơ - quang (Optomechanical Analysis) kết hợp ANSYS và Zemax.
  2. Kỹ sư thiết kế khí tài quang học: Cung cấp cơ sở tính toán thiết kế hệ chuẩn trực phản xạ, thấu kính aplanat hồng ngoại và cơ cấu gá kẹp quang học đảm bảo không làm biến dạng linh kiện.
  3. Các viện nghiên cứu, trung tâm đo lường và nhà máy sản xuất quốc phòng: Phục vụ công tác xây dựng quy trình đo kiểm, đánh giá tham số quang học (tiêu cự, MTF, LSF) cho các hệ thống thấu kính và vật kính ảnh nhiệt được nghiên cứu hoặc sửa chữa, bảo dưỡng trong nước.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao luận án lựa chọn phương pháp đo hàm nhòe đường (LSF) thay vì hàm nhòe điểm (PSF) hay hàm nhòe cạnh (ESF)?

Phương pháp đo hàm PSF đòi hỏi chiếu nguồn sáng qua một lỗ có kích thước micromet khiến năng lượng bức xạ hồng ngoại truyền qua rất yếu, đòi hỏi đầu thu có độ nhạy cực cao và giá thành đắt. Phương pháp đo hàm ESF tuy dễ tạo mia (nửa sáng - nửa tối) nhưng phải trải qua bước lấy vi phân trung gian để thu được hàm LSF trước khi tính MTF, làm tăng sai số tính toán số học. Phương pháp đo hàm LSF sử dụng mia khe hẹp, đảm bảo năng lượng truyền qua đủ lớn và áp dụng trực tiếp biến đổi Fourier 1 chiều để tính MTF, phù hợp với điều kiện thực nghiệm trong nước.

2. Chu trình tính toán ảnh hưởng của cơ cấu gá lắp đến quang sai mặt sóng được thực hiện như thế nào?

Chu trình gồm 4 bước nối tiếp:

  1. Sử dụng ANSYS phân tích phần tử hữu hạn kết cấu gá kẹp để tính toán véc-tơ chuyển vị của các điểm nút trên bề mặt linh kiện quang học.
  2. Dùng phần mềm tự lập trình trên Delphi thực hiện thuật toán bình phương tối thiểu để làm khớp biên dạng bề mặt biến dạng vào chuỗi đa thức Zernike Standard nhằm tìm các hệ số $A_j$.
  3. Nhập các hệ số $A_j$ vào phần mềm Zemax để mô phỏng và tính toán các giá trị sai sóng PV và RMS của linh kiện.
  4. Đo kiểm thực nghiệm bằng giao thoa kế Zygo để đối chứng và kiểm chứng mô hình tính toán.

3. Hệ chuẩn trực trong mô hình thiết bị có cấu trúc và yêu cầu kỹ thuật gì?

Hệ chuẩn trực được thiết kế theo sơ đồ hệ hai gương phản xạ ngoài trục (gương chính cầu/lệch trục và gương phẳng thứ cấp). Cấu hình phản xạ giúp hệ thống hoạt động không bị sắc sai và bao phủ dải phổ rộng từ $1\ \mu\text{m}$ đến $15\ \mu\text{m}$. Yêu cầu kỹ thuật bao gồm: độ chính xác bề mặt gương gia công đạt sai số nhỏ hơn $\lambda/10$, tiêu cự lớn hơn ít nhất 5 lần tiêu cự hệ quang cần kiểm tra, và khẩu độ thông quang lớn hơn tối thiểu $10%$ so với vật kính cần đo.

4. Vai trò của vật kính hiển vi hồng ngoại trong hệ thống đo là gì?

Vết ảnh tạo bởi vật kính ảnh nhiệt cần kiểm tra thường có kích thước rất nhỏ (cỡ hàng chục đến hàng trăm micromet). Nếu chiếu trực tiếp lên cảm biến ảnh nhiệt, số lượng điểm ảnh (pixel) bao phủ vết ảnh sẽ rất ít, không đủ độ phân giải không gian để lấy mẫu hàm LSF chính xác. Vật kính hiển vi hồng ngoại (được thiết kế theo nguyên lý thấu kính aplanat từ vật liệu Germanium) có nhiệm vụ phóng đại vết ảnh này lên nhiều lần trước khi đưa vào bề mặt cảm biến, đảm bảo thu nhận đầy đủ phân bố năng lượng phục vụ xử lý tín hiệu.

5. Vật đen tuyệt đối được sử dụng trong mô hình đo kiểm có đặc tính kỹ thuật gì?

Luận án sử dụng vật đen nhiệt điện hoạt động dựa trên phần tử Peltier (TEC), có dải nhiệt độ điều khiển từ $-25^\circ\text{C}$ đến $+75^\circ\text{C}$, độ phát xạ bức xạ đạt trên $0,97$, độ phân giải nhiệt độ $0,1\text{ mK}$, độ ổn định nhiệt $1\text{ mK}$ và độ đồng nhất bề mặt $10\text{ mK}$. Thiết bị này cho phép tạo ra độ chênh lệch nhiệt độ chính xác giữa nền và mục tiêu (mia) phục vụ đánh giá hệ quang ảnh nhiệt.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Trần Anh Quang đã giải quyết trọn vẹn mục tiêu nghiên cứu về mặt lý thuyết và thực nghiệm trong việc đánh giá chất lượng tạo ảnh của hệ thống quang học hồng ngoại $8 - 12\ \mu\text{m}$. Công trình đã xây dựng thành công phương pháp luận tính toán định lượng ảnh hưởng của lực gá kẹp cơ khí đến quang sai mặt sóng quang học thông qua chu trình liên kết ANSYS - Delphi - Zemax và kiểm chứng trên giao thoa kế Zygo. Đồng thời, tác giả đã thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thành công mô hình thiết bị đo kiểm hoàn chỉnh gồm hệ chuẩn trực phản xạ dải rộng, vật kính hiển vi aplanat và phần mềm xử lý ảnh trích xuất hàm LSF, MTF. Kết quả của luận án khẳng định khả năng tự chủ kỹ thuật đo lường quang học hồng ngoại trong nước, cung cấp cơ sở khoa học quan trọng cho việc nghiên cứu, chế tạo và kiểm tra các loại khí tài ảnh nhiệt phục vụ quốc phòng và an ninh.