Nghiên cứu thiết kế hệ thống quang học cho vật kính ảnh nhiệt tự bù ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ

Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 47, 02 - 2017 133
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG QUANG HỌC 
CHO VẬT KÍNH ẢNH NHIỆT TỰ BÙ ẢNH HƯỞNG 
CỦA SỰ THAY ĐỔI NHIỆT ĐỘ 
Nguyễn Quang Hiệp1* 
Tóm tắt: Bài báo trình bày các bước thiết kế vật kính của khí tài ảnh nhiệt hoạt 
động trong vùng phổ từ 8 đến 12 m , trong đó có sử dụng phương pháp quang học 
thụ động để bù ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ lên chất lượng tạo ảnh của vật 
kính. Trên cơ sở đó, đã thiết kế vật kính khí tài ảnh nhiệt có chất lượng tạo ảnh tốt 
trong toàn bộ phạm vi thay đổi nhiệt độ từ 100 C đến 500 C. 
 Từ khóa: Vật kính ảnh nhiệt, Phương pháp quang học thụ động. 
1. MỞ ĐẦU 
Khí tài ảnh nhiệt (KTAN) là thiết bị quang điện tử hoạt động trên cơ sở tiếp 
nhận và biến đổi bức xạ hồng ngoại của chính mục tiêu phát ra thành ảnh trong 
vùng nhìn thấy. Do những ưu điểm vượt trội của KTAN so với các thiết bị quang 
điện tử khác như khả năng làm việc trong bất kỳ điều kiện thời tiết nào, ban ngày 
cũng như ban đêm nên chúng ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều 
lĩnh vực, đặc biệt là trong quốc phòng, an ninh [1, 2]. 
Một trong những vấn đề khi thiết kế hệ thống quang học cho vật kính của 
KTAN, đặc biệt đối với các khí tài hoạt động trong vùng phổ từ 8 đến 12 m , là 
bên cạnh số lượng vật liệu có hệ số truyền qua cao trong vùng phổ đó không 
nhiều thì các tính chất nhiệt của chúng như hệ số giãn nở nhiệt, hệ số chiết suất 
nhiệt và hằng số quang nhiệt lại có giá trị tương đối lớn so với các loại vật liệu 
được dùng để thiết kế hệ thống quang học hoạt động trong vùng nhìn thấy [1]. Vì 
vậy, khi vật kính ảnh nhiệt hoạt động trong điều kiện nhiệt độ thay đổi sẽ xuất 
hiện lượng defocus và chất lượng ảnh giảm đi rõ rệt. Do đó, khi thiết kế hệ thống 
quang học cho vật kính của KTAN hoạt động trong vùng phổ từ 8 đến 12 m cần 
thiết phải chú ý đến việc sử dụng các biện pháp bù ảnh hưởng của sự thay đổi của 
nhiệt độ lên chất lượng tạo ảnh của vật kính [1-3]. 
So với các phương pháp bù ảnh hưởng của sự thay đổi của nhiệt độ được dùng 
trong các vật kính KTAN hoạt động trong vùng phổ từ 8 đến 12 m khác như 
phương pháp cơ điện chủ động và phương pháp cơ khí thụ động thì phương pháp 
quang học thụ động có nhiều ưu điểm như: không làm phức tạp hóa kết cấu 
quang-cơ của vật kính; không sử dụng thêm các cơ cấu phụ, từ đó không làm 
tăng khối lượng, kích thước của vật kính, bảo toàn độ tin cậy của vật kính. 
Phương pháp này dựa trên việc lựa chọn tổ hợp vật liệu và sự phân bố độ tụ hợp 
lý giữa các thành phần của vật kính mà ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ lên 
chất lượng tạo ảnh của vật kính được giảm đi một cách đáng kể [4-7]. Đây chính 
Vật lý 
Nguyễn Quang Hiệp, “Nghiên cứu thiết kế hệ thống quang của sự thay đổi nhiệt độ.” 134 
là phương pháp được lựa chọn trong bài báo này để thiết kế hệ thống quang học 
cho vật kính của KTAN hoạt động trong vùng phổ từ 8 đến 12 m . 
2. XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ KÍCH THƯỚC CỦA VẬT KÍNH 
Đầu thu bức xạ quang học của KTAN hoạt động trong vùng phổ từ 8 đến 
12 m có hai loại chính, đó là đầu thu microbolometer và đầu thu pyroelectric. Để 
thiết kế vật kính cho KTAN ta chọn loại đầu thu microbolometer có các thông số 
chính sau: 
- Độ phân giải: 640x480. 
- Kích thước pixel: 25 m x 25 m . 
- Khả năng phát hiện riêng trung bình D*=2x1010 (W-1.cm.Hz1/2). 
- Tần số khung hình: 30Hz 
Đây chính là đầu thu trong KTAN hiện có tại bộ môn Khí tài quang học – Khoa 
Vũ khí – Học viện KTQS. 
Các thông số kích thước của vật kính sẽ được xác định từ phương trình biểu 
diễn một trong những thông số chất lượng thông dụng nhất của KTAN đó là hiệu 
nhiệt độ tương đương nhiễu ngT . 
Giả sử KTAN hoạt động trong điều kiện mục tiêu ở xa vô cùng, có kích thước 
hữu hạn, ảnh của mục tiêu che khuất toàn bộ diện tích nhạy sáng của đầu thu, 
thành phần nhiễu chính của KTAN chính là nhiễu của bản thân đầu thu, mục tiêu là 
vật đen tuyệt đối có nhiệt độ là T. Khi đó, mật độ phổ thông lượng bức xạ đến đầu 
thu được xác định bằng biểu thức sau [8]: 
2
( , ) ( ) ( ) ( , )
( , ) ( ) ( )at hq mt DTV at hq DTV
L T A A M T
T A
R
     
     
 (1) 
trong đó: ( , )L T và ( , )M T lần lượt là mật độ phổ độ chói và mật độ phổ độ 
trưng năng lượng của mục tiêu; ( )at  và ( )hq  lần lượt là độ truyền qua của khí 
quyển và độ truyền qua của vật kính; mtA là diện tích mục tiêu; DTVA là diện tích 
đồng tử vào của vật kính; và  là kích thước góc của đầu thu. 
Phản ứng của đầu thu được xác định như sau: 
( , )
( , ) ( , ) ( ) ( ) ( ) ( )DTV at hq
M T
i T T s A s

        
  
Suy ra: 
0 0
( ) ( , ) ( , ) ( ) ( ) ( )DTV at hq
A
i T i T d M T s d
 
        
 (2) 
trong đó, ( )s  là độ nhạy phổ của đầu thu. 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 47, 02 - 2017 135
Nếu như độ nhạy phổ của đầu thu ( )s  được xác định qua khả năng phát hiện 
riêng của đầu thu *( )D  thì biểu thức (2) có thể được biểu diễn dưới dạng khác 
như sau: 
 *
0
( ) ( , ) ( ) ( ) ( )DTV n at hq
A
i T M T D d
ab f
  
      
 (3) 
trong đó: ,a b là các kích thước của đầu thu; f là dải tần cho qua của mạch điện 
tử sau đầu thu; n là giá trị bình phương trung bình nhiễu của đầu thu; 
*( )D  là 
khả năng phát hiện riêng của đầu thu. 
Biểu thức (3) miêu tả phản ứng của đầu thu khi nhiệt độ của mục tiêu là T. Nếu như 
nhiệt độ của vật thay đổi một lượng T , khi đó sự thay đổi tín hiệu đầu ra của đầu thu 
được xác định bằng cách lấy vi phân hai vế của biểu thức (3) theo nhiệt độ, tức là: 
 *
0
( ) ( , )
( ) ( ) ( )DTV n at hq
Ai T M T
D d
T Tab f
   
     
 
  
 (4) 
Nếu như T là một lượng rất nhỏ, khi đó biểu thức (4) được viết dưới dạng 
khác như sau: 
 *
0
( ) ( , )
( ) ( ) ( )DTV n at hq
Ai T M T
D d
T Tab f
   
     
 
  
 (5) 
Suy ra, tỷ lệ giữa sự thay đổi tín hiệu và nhiễu của đầu thu được xác định bằng 
biểu thức: 
 *
0
( ) ( , )
( ) ( ) ( )DTV at hq
n
A Ti T M T
D d
Tab f
  
     
 
 
 
 (6) 
Như chúng ta đã biết, hiệu nhiệt độ tương đương nhiễu ngT có thể được định 
nghĩa là sự thay đổi nhiệt độ của mục tiêu dẫn đến sự thay đổi tín hiệu một lượng 
bằng với nhiễu [8-10]. Khi đó, từ (6), qua một số phép biến đổi, nhận được biểu 
thức dùng để xác định ngT như sau: 
2
*
0
4( / #)
( , )
( ) ( ) ( )
ng
at hq
F f
T
M T
ab D d
T

     

 
 (7) 
trong đó: / #F là số khẩu độ của vật kính. 
Cho rằng, trong điều kiện làm việc thông thường của các KTAN hoạt động trong 
vùng phổ từ 8 đến 12 m với chức năng quan sát, phát hiện mục tiêu thì nhiệt độ của 
mục tiêu thường vào khoảng 300T K , hệ số truyền qua của khí quyển 0,8at , hệ 
số truyền qua của hệ quang 0,8hq , khi đó, từ (7) nhận được đồ thị sau: 
Vật lý 
Nguyễn Quang Hiệp, “Nghiên cứu thiết kế hệ thống quang của sự thay đổi nhiệt độ.” 136 
Hình 1. Sự phụ thuộc giữa hiệu nhiệt độ tương đương nhiễu ngT 
và số khẩu độ / #F của vật kính. 
Cho rằng, yêu cầu cần thiết kế vật kính cho KTAN có hiệu nhiệt độ tương 
đương nhiễu 50ngT mK , cự ly phát hiện mục tiêu là người của KTAN vào 
khoảng 1,5km. Khi đó, theo tiêu chuẩn Johnson [1, 9] tiêu cự của vật kính được 
lựa chọn là 100mm. Từ đồ thị trên hình 1 nhận được khẩu độ số của vật kính 
/ # 1.1F , từ đó, suy ra đường kính đồng tử vào của vật kính 90DTVD mm . 
Thị giới của vật kính được xác định theo kích thước đầu thu bức xạ quang học: 
2 2
02 2arctan( ) 2arctan( ) 11.42
2 2
dtd a b
f f

Như vậy, vật kính cần thiết kế có các thông số kích thước như sau: tiêu cự 
100f mm , đường kính đồng tử vào 90DTVD mm , thị giới 
02 11.42 . 
3. THIẾT KẾ VẬT KÍNH 
Dạng vật kính được lựa chọn thiết kế là vật kính dạng Triplet. Đây là dạng vật 
kính thường được dùng khi thiết kế các hệ thống quang học. Dạng vật kính này bao 
gồm ba thành phần, trong đó mỗi thành phần là một thấu kính đơn, có vừa đủ các 
thông số để hiệu chỉnh quang sai tốt nhất. 
Các thông số của các thành phần trong kết cấu của vật kính như độ tụ tương đối 
( 1 2 3, , ) và khoảng cách giữa chúng ( 1 2,d d ) được xác định từ việc thiết lập và 
giải hệ các phương trình sau [11-12]: 
- Phương trình tỷ lệ: 1 1 2 2 3 3 1h h h 
- Phương trình hiệu chỉnh sắc sai vị trí: 
22 2
3 31 1 2 2
1 2 3
0
hh h 
  
- Phương trình bù ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ: 
0 0
' '
, ,f T f T Ts s 
trong đó: 1 2 3, ,h h h lần lượt là chiều cao của tia cận trục bổ trợ loại một trên các 
thành phần tương ứng trong vật kính; 1 2 3, ,   lần lượt là số Abbe của ba vật liệu 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 47, 02 - 2017 137
dùng để gia công chế tạo các thành phần tương ứng; 
0
'
,f Ts là tiêu cự đỉnh sau của 
vật kính tại nhiệt độ làm việc T0; 
0
'
,f T Ts là tiêu cự đỉnh sau của vật kính tại nhiệt 
độ làm việc 0T T . 
Tổ hợp vật liệu được lựa chọn theo chỉ dẫn: trên giản đồ phân bố vật liệu (hình 
2), trong đó: trục hoành là giá trị số Abbe của vật liệu  ; Trục tung là tích của số 
Abbe và hằng số quang nhiệt TV  , thì ba loại vật liệu dùng để chế tạo ba thành 
phần tương ứng của vật kính cần phải tạo với nhau tam giác có diện tích càng lớn 
càng tốt [1, 3]. Theo chỉ dẫn trên và theo giản đồ phân bố vật liệu thì tổ hợp vật 
liệu được lựa chọn là IRG25+ZnSe+Ge. 
Với tổ hợp vật liệu được chọn như trên, khi khoảng cách giữa các thành phần 
lần lượt là 1 0.194d , 2 0.733d thì từ hệ ba phương trình ở trên nhận được các 
giá trị độ tụ tương đối của từng thành phần như sau: 1 1.18 , 2 0.66 và 
3 1.18 . Để đơn giản hóa, cho rằng trong hệ xuất phát ban đầu mỗi thành phần là 
một thấu kính mỏng có một mặt là mặt phẳng. Khi đó, sử dụng công thức cho các 
thấu kính mỏng nhận được các kết quả sau: r1 = 74.89mm; r4 = 106.15mm; r6 = -
140.046mm. Như vậy, các thông số kết cấu của hệ xuất phát đã được xác định. 
Tiếp theo ta cần tối ưu hệ xuất phát trong điều kiện thay đổi nhiệt độ. 
Hình 2. Giản đồ phân bố một số loại vật liệu hồng ngoại thường dùng. 
Cho rằng, để phù hợp với điều kiện làm việc tại Việt Nam vật kính cần thiết kế 
phải đảm bảo chất lượng tạo ảnh trên toàn bộ phạm vi thay đổi nhiệt độ từ 100C 
đến 500C, tức là ở các giá trị nhiệt độ khác nhau, tương ứng với các giá trị bán kính 
cong cũng như khoảng cách giữa các mặt, khoảng cách giữa các thấu kính và các 
giá trị chiết suất khác nhau thì các tiêu chí dùng để đánh giá chất lượng tạo ảnh của 
vật kính phải đảm bảo yêu cầu. Do đó, khi tối ưu vật kính trên phần mềm thiết kế 
hệ thống quang học Zemax ta phải sử dụng chức năng tối ưu hệ quang đa cấu hình. 
Mỗi một cấu hình của hệ quang hoạt động tại một nhiệt độ tương ứng, trong đó cấu 
hình cơ bản được coi là cấu hình hoạt động ở nhiệt độ 200C, tất cả các thông số kết 
cấu của các cấu hình khác (tương ứng với các nhiệt độ làm việc khác) nhận được 
từ các thông số kết cấu tương ứng của cấu hình cơ bản cộng với các hiệu ứng nhiệt. 
Hàm mục tiêu yêu cầu tổng giá trị quang sai ở tất cả các cấu hình là nhỏ nhất. Bên 
Vật lý 
Nguyễn Quang Hiệp, “Nghiên cứu thiết kế hệ thống quang của sự thay đổi nhiệt độ.” 138 
cạnh các ràng buộc về độ dày các thấu kính và tiêu cự, để đảm bảo công nghệ khi 
lắp ghép vật kính với đầu thu ta thêm ràng buộc yêu cầu giá trị tiêu cự đỉnh sau 
trong tất cả các cấu hình phải lớn hơn 15mm. Kết quả vật kính sau tối ưu ở cấu 
hình cơ bản được biểu diễn trên hình 3. Trên hình 4 là giá trị hàm MTF của vật 
kính tại các giá trị nhiệt độ làm việc khác nhau. 
Hình 3. Cấu hình cơ bản của vật kính sau tối ưu (T=200C). 
a) Giá trị hàm MTF của vật kính tại 
T=100C. 
b) Giá trị hàm MTF của vật kính tại 
T=200C. 
c) Giá trị hàm MTF của vật kính tại 
T=400C. 
d) Giá trị hàm MTF của vật kính tại 
T=500C. 
Hình 4. Giá trị hàm MTF của vật kính tại các nhiệt độ khác nhau. 
4. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 
Theo kết quả được thể hiện trên hình 4 tại tất cả các giá trị nhiệt độ làm việc 
khác nhau thì chất lượng tạo ảnh của vật kính được đảm bảo, giá trị hàm MTF 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 47, 02 - 2017 139
không thay đổi nhiều. Đối với điểm trên trục ở các nhiệt độ khác nhau vật kính đều 
đạt độ phân giải là 60 vạch/mm. Tại 100C và 200C độ phân giải của vật kính đối 
với điểm mép ngoài thị giới đạt đến 50vạch/mm. Tại 400C và 500C độ phân giải 
của vật kính đối với điểm mép ngoài thị giới đạt 45vạch/mm. Như vậy, khi nhiệt 
độ thay đổi từ 100C đến 500C giá trị hàm MTF của vật kính đối với điểm mép 
ngoài thị giới chỉ thay đổi khoảng 10% . 
Hình 5. Sự phụ thuộc giá trị tiêu cự đỉnh sau và nhiệt độ làm việc của vật kính. 
Ngoài ra, kết quả phân tích hàm tập trung năng lượng cho thấy, ở tất cả các giá 
trị nhiệt độ làm việc khác nhau thì có đến hơn 70% năng lượng tạo ảnh của các 
điểm ảnh tập trung trong vòng tròn có bán kính 12,5 m , tức là mỗi điểm ảnh có 
đến hơn 70% năng lượng chùm tia tạo ảnh nằm gọn trong pixel tương ứng. 
Bên cạnh đó, trên hình 5 biểu diễn sự thay đổi giá trị tiêu cự đỉnh sau của vật 
kính khi nhiệt độ thay đổi từ 100C đến 500C. Đồ thị cho thấy, giá trị tiêu cự đỉnh 
hầu như không thay đổi (so với cấu hình cơ bản thì sự thay đổi lớn nhất ở nhiệt độ 
500C chỉ khoảng 0,17%). 
5. KẾT LUẬN 
Như vậy, trên cơ sở phương pháp quang học thụ động bù ảnh hưởng của sự thay 
đổi nhiệt độ lên chất lượng vật kính dùng trong KTAN làm việc với dải bước sóng 
từ 8 đến 12 m đã thiết kế thành công vật kính ba thành phần làm việc trong phạm 
vi thay đổi nhiệt độ từ 100C đến 500C. Vật kính được thiết kế đảm bảo chất lượng 
tạo ảnh tốt trong toàn bộ dải nhiệt độ làm việc. Đây là cơ sở bước đầu trong việc 
làm chủ công nghệ thiết kế và chế tạo vật kính ảnh nhiệt tự bù ảnh hưởng của sự 
thay đổi nhiệt độ nói riêng và cả KTAN nói chung ở Việt Nam. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. “Инфракрасные системы смотрящего 
типа”. М.: Логос, 2004. 
[2]. Волков В.Г., Ковалев А.В., Федчишин В.Г. “Тепловизионный приборы 
нового поколения”. Ч1// Спец. техника, № 6, С: 18-26, 2001. 
[3]. Якушенков Ю.Г. “Теория и расчет оптико-электронных приборов”. М.: 
Логос, 2004. 
Vật lý 
Nguyễn Quang Hiệp, “Nghiên cứu thiết kế hệ thống quang của sự thay đổi nhiệt độ.” 140 
[4]. Ali H. Al-Hamdani, Raghad I.Imbrahim. “Athermalization of Optical Systems 
in Infrared”. International Journal of Current Engineering anh Technology, 
2015, Vol.5, No.5, October 2015. 
[5]. Rayces, J. L. and Lebich, L., “Thermal compensation of infrared 
achromatic objectives with three optical materials”. SPIE, vol. 1354, pp. 
752 – 759, 1990. 
[6]. Rogers, P. J. & Roberts, M. (1995). “Thermal compensation Techniques , 
Fundamentals Techniques And Design”. Vol.1,pp39.1-40.2, McGraw - Hill, Inc. 
[7]. Li Hua, Han Wei Qiang, Shen Mang Zuo. “Passive athermal design and 
measurement of MWIR optical system”. Infrared and Laser Engineering. 687-
691, 2009. 
[8]. J.M. Lloyd, 1975. “Thermal imaging systems”. Plenum Press, New York. 
[9]. Arnold Daniels. “Field guide to infrared systems”. Bellingham, Washington 
USA, 2006. 
[10]. Thomas L. Williams. “Thermal Imaging Camera Characteristics and 
performance”, Taylor & Francis Group, 2009. 
[11]. Слюсарев Г. Г. “Методы расчета оптических систем”. Л.: 
Машиностроение, 1969. 
[12]. Запрягаева Л.А., Свешникова И.С. “Расчет и проектирование 
оптических систем”. М.: Логос, 2000. 
ABSTRACT 
A DESIGN OF AN OPTICAL SYSTEM OF A THERMALIZED IR OBJECTIVE 
In this paper, the steps to design an optical system of athermalized IR 
objective for thermal imaging system by using method optical passive 
athermalization are proposed. Based on this method, an athermalized IR 
objective working under temperature range of 100C~500C with satisfied 
image quality is designed. 
Keywords: Thermal objective, Method optical passive athermalization. 
Nhận bài ngày 15 tháng 8 năm 2016 
Hoàn thiện ngày 15 tháng 02 năm 2017 
Chấp nhận đăng ngày 20 tháng 02 năm 2017 
Địa chỉ: 1 Bộ môn Khí tài quang học - Học viện Kỹ thuật Quân sự; 
* Email: quanghiepktq@gmail.com.