Tính toán thiết kế và chế tạo hệ quang trộn ảnh kết hợp khuếch đại ánh sáng yếu và ảnh nhiệt

Kỹ thuật Điện tử – Vật lý – Đo lường

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ QUANG TRỘN ẢNH
KẾT HỢP KHUẾCH ĐẠI ÁNH SÁNG YẾU VÀ ẢNH NHIỆT
Nguyễn Anh Tuấn*, Nguyễn Vĩnh Sửu, Phạm Đình Quý, Hà Công Nguyên
Tóm tắt: Trộn ảnh đang là xu thế phát triển nóng cho các thiết bị quang điện tử
trong những năm gần đây trên thế giới, được dự báo đây sẽ là xu hướng chủ đạo
trong những năm tới đây cho các khí tài quang điện tử ở nước ta. Thực hiện trộn
ảnh để kết hợp tính năng ưu việt giữa khí tài ảnh nhiệt là khả năng phát hiện mục
tiêu và khả năng phân biệt mục tiêu với phông nền tốt, với những ưu điểm của khí
tài khuếch đại ánh sáng yếu là độ chi tiết hình ảnh cao sẽ cho kết quả quan sát trộn
ảnh tổng hợp được các ưu điểm nêu trên. Trong bài báo này, nhóm tác giả đã thực
hiện tính toán thiết kế hệ quang chiếu ảnh tổng hợp chùm tia và chế thử mô đun
trộn ảnh quang học giữa khuếch đại ánh sáng yếu và ảnh nhiệt. Qua quá trình thử
nghiệm quan sát thực tế đã làm sáng tỏ tính ưu việt của khí tài trộn ảnh quang học
và chứng minh tính khả thi trong việc tiến tới làm chủ công nghệ và thiết kế, chế tạo
các khí tài trộn ảnh quang học ứng dụng trong quân đội.
Từ khóa: Trộn ảnh quang học; Tổng hợp chùm tia; Khuếch đại ánh sáng yếu; Ảnh nhiệt.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Trộn ảnh - fusion imaging đang là một xu hướng phát triển nóng trong lĩnh vực quan
sát, ngắm bắn đêm hiện nay, nó đã và đang được nghiên cứu phát triển để trở thành tiêu
chuẩn mới đối với các hoạt động tác chiến ban đêm [1, 2]. Với công nghệ trộn ảnh, các
thiết bị quan sát đêm đã đạt được những tính năng vượt trội trên cơ sở kết hợp khả năng
phát hiện mục tiêu ở cự ly xa của công nghệ ảnh nhiệt với khả năng phân biệt, nhận dạng
mục tiêu, độ chi tiết hình ảnh địa hình, địa vật của công nghệ khuếch đại ánh sáng yếu
(KĐASY). Chính vì thế, các dòng thiết bị quan sát đêm này đã đáp ứng được yêu cầu
trong các điều kiện tác chiến đêm hiện đại, đặc biệt phù hợp với điều kiện tác chiến trong
thành phố, thị xã nơi có phông nền hỗn tạp nhiều bóng che, hay trong rừng rậm, rừng nhiệt
đới nhiều sương mù như ở nước ta.
Một số nhược điểm của KĐASY là chịu nhiều ảnh hưởng của điều kiện chiếu sáng từ

môi trường, cũng như khó quan sát các mục tiêu bị bóng che, che khuất hay các mục tiêu
hòa lẫn với phông nền (mục tiêu được ngụy trang). Những nhược điểm này lại hoàn toàn
không tồn tại với thiết bị ảnh nhiệt [2], như hình 1.

a. Quan sát mục tiêu nguồn sáng mạnh.

b. Quan sát mục tiêu bị bóng che.

Hình 1. Sự khác biệt giữa KĐASY và ảnh nhiệt trong một số trường hợp.
Có thể thấy rằng, những nhược điểm cơ bản của thiết bị KĐASY được thiết bị ảnh
nhiệt khắc phục triệt để. Trên cơ sở công nghệ trộn ảnh fusion imaging, hai công nghệ này
sẽ bổ trợ bổ sung cho nhau, ưu điểm của công nghệ này sẽ bù đắp cho nhược điểm của
công nghệ kia tạo nên một thiết bị với nhiều tính năng ưu việt hơn. Một ví dụ về khả năng

212

N. A. Tuấn, …, H. C. Nguyên, “Tính toán thiết kế … ánh sáng yếu và ảnh nhiệt.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

quan sát của thiết bị trộn ảnh được thể hiện tại hình 2 khi so sánh với thiết bị khu:
- Tiêu cự: f=33,3 mm.
- Trường nhìn: 2ω=200.
- Đường kính đồng tử ra: D=6 mm.
Từ những tính toán trên sử dụng phần mềm Zemax thiết kế hệ quang cho hệ chiếu ảnh
kênh ảnh nhiệt và KĐASY tiêu chí để thiết kế hệ quang là:
- Bảo đảm chất lượng quan sát.
- Tối ưu hóa số lượng thấu kính sử dụng từ đó giảm khối lượng.
- Sử dụng vật liệu có sẵn và phù hợp với công nghệ gia công trong nước.

2.3.3. Thiết kế hệ chiếu ảnh kênh ảnh nhiệt
Sử dụng phần mềm thiết kế Zemax và các thông số của hệ chiếu ảnh kênh ảnh nhiệt đã
tính toán ở mục 2.3.1 để thiết kế hệ chiếu ảnh kênh ảnh nhiệt như sau:

a. Hệ quang hệ chiếu ảnh kênh ảnh nhiệt.

b. Hàm MTF.

c. Sai sóng.

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020

217


Kỹ thuật Điện tử – Vật lý – Đo lường

d. Giản đồ điểm ảnh.
e. Thị sai và méo ảnh.
Hình 7. Kết quả thiết kế hệ chiếu ảnh kênh ảnh nhiệt bằng phần mềm Zemax.
Kết quả hình 7 cho thấy, hệ chiếu ảnh kênh ảnh nhiệt có chất lượng tốt: Hàm MTF có
giá trị lớn tại, tại tần số 20mm-1 giá trị của hàm số là 0,7, vì vậy, cho độ phân giải cao. Sai
sóng nhỏ hơn 5 lần bước sóng. Tán xạ điểm ảnh nhỏ hơn 22 µm. Thị sai nhỏ hơn 0,2 mm
và méo ảnh ở mức dưới 3%, đây đều là các giá trị tốt đối với các thị kính quan sát [6, 7].
2.3.4. Thiết kế hệ chiếu ảnh kênh KĐASY
Sử dụng phần mềm thiết kế Zemax và các thông số của hệ chiếu ảnh kênh KĐASY đã
tính toán ở mục 2.3.2 để thiết kế hệ chiếu ảnh kênh KĐASY như hình 8.
Kết quả hình 8 cho thấy, hệ chiếu ảnh của kênh KĐASY có chất lượng tốt: Hàm MTF
có giá trị 0,4 tại tần số không gian 20mm-1. Sai sóng nhỏ hơn 5 lần bước sóng. Tán xạ
điểm ảnh không vượt quá 60µm, thị sai nhỏ hơn 0,2 mm, méo ảnh ở mức dưới 3%. Đối

với thị kính dùng cho kênh KĐASY các giá trị này đều đáp ứng yêu cầu [6, 7].

a. Hệ quang hệ chiếu ảnh kênh ảnh nhiệt.

b. Hàm MTF.

218

c. Sai sóng.

N. A. Tuấn, …, H. C. Nguyên, “Tính toán thiết kế … ánh sáng yếu và ảnh nhiệt.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

d. Giản đồ điểm ảnh.
e. Thị sai và méo ảnh.
Hình 8. Kết quả thiết kế hệ chiếu ảnh kênh KĐASY bằng phần mềm Zemax.
2.3.5. Thiết kế hệ chiếu ảnh tổng hợp chùm tia cho mô đun trộn ảnh quang học
Trên cơ sở tổng hợp các thiết kế hệ chiếu ảnh kênh ảnh nhiệt và hệ chiếu ảnh kênh
KĐASY, hệ quang hệ chiếu ảnh tổng hợp chùm tia cho mô đun trộn ảnh quang học được
đưa ra như hình 9 sau:

Hình 9. Hệ chiếu ảnh tổng hợp chùm tia cho mô đun trộn ảnh quang học.
3. CHẾ THỬ VÀ THỬ NGHIỆM MÔ ĐUN TRỘN ẢNH QUANG HỌC
3.1. Chế thử mô đun trộn ảnh quang học
Dựa trên kết quả tính toán thiết kế hệ quang chiếu ảnh đã nêu ở mục 2.3, kết hợp với
thiết kế gia công chế tạo các chi tiết quang học, cơ khí và điện tử, mô đun trộn ảnh quang
học đã được tổng lắp, hiệu chỉnh và hoàn thiện như hình 10.

Hình 10. Hình ảnh mô đun trộn ảnh quang học đã được lắp ráp hiệu chỉnh.

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020

219


Kỹ thuật Điện tử – Vật lý – Đo lường

3.2. Thử nghiệm quan sát thực tế bằng mô đun trộn ảnh quang học
Mô đun trộn ảnh quang học sau khi được hiệu chỉnh, kiểm tra ở phòng thí nghiệm thì
tiến hành thử nghiệm quan sát tại thực địa. Tiến hành quan sát mục tiêu trong các điều
kiện như: môi trường có nguồn sáng mạnh, môi trường che khuất.

a. Quan sát mục tiêu người đứng cạnh đèn pha ô tô.

b. Quan sát mục tiêu người bị che khuất bởi lùm cây.
Hình 11. Kết quả quan sát mục tiêu bằng các kênh theo thứ tự từ trái qua phải:
KĐASY, kênh ảnh nhiệt (chế độ tách biên) và kênh trộn ảnh.
Kết quả quan sát thực tế được tổng hợp tại hình 11. Hình 11a là kết quả quan sát mục tiêu
2 người đứng bên cạnh đèn pha ô tô. Khi quan sát bằng kênh KĐASY, dưới ảnh hưởng của
lóa sáng, mục tiêu bị mất. Quan sát bằng kênh ảnh nhiệt thì rõ mục tiêu. Quan sát bằng kênh
trộn ảnh rõ mục tiêu nổi bật trên nền sáng bị lóa. Hình 11b là kết quả quan sát mục tiêu
người bị lùm cây che khuất. Khi quan sát bằng kênh KĐASY, không thể quan sát được mục
tiêu. Khi quan sát bằng kênh ảnh nhiệt, phát hiện được mục tiêu là các đốm sáng nổi trên nền
đen. Khi quan sát bằng kênh trộn ảnh, có thể phát hiện mục tiêu là những đốm sáng xuất
hiện trên phông nền ban đầu, hoàn toàn khác so với khi quan sát bằng kênh KĐASY độc lập.
Kết quả cho thấy, trong các điều kiện đặc biệt như môi trường có nguồn sáng mạnh, hay môi
trường che khuất thì quan sát bằng kênh trộn ảnh cho phép quan sát rõ cả phông nền và mục
tiêu, hình ảnh thu được từ kênh trộn ảnh là hình ảnh đầy đủ thông tin nhất.

4. KẾT LUẬN
Bài báo đã đưa ra phương pháp tính toán các thông số và kết quả thiết kế hệ quang hệ
chiếu ảnh tổng hợp chùm tia cho thiết bị trộn ảnh quang học. Trên cơ sở mượn sử dụng
một số vật tư thiết bị có sẵn và kết quả tính toán thiết kế hệ quang, nhóm tác giả đã chế thử
mô đun trộn ảnh quang học giữa KĐASY và ảnh nhiệt. Mô đun trộn ảnh có 3 kênh quan
sát gồm: kênh ảnh nhiệt, kênh KĐASY và kênh trộn ảnh với hình ảnh trộn là hình ảnh tách
biên của kênh ảnh nhiệt với hình ảnh của kênh KĐASY. Kết quả quan sát thực tế của mô
đun trộn ảnh quang học phù hợp với kết quả mô phỏng nếu trong nghiên cứu trước đó,
cũng như chứng minh tính hiệu quả của thiết bị trộn ảnh quang học, đặc biệt là khi quan
sát trong các điều kiện bị bóng che, che khuất, hay lóa sáng.
Lời cảm ơn: Nhóm tác giả cảm ơn sự ủng hộ của các cá nhân, Phòng nghiên cứu thuộc Viện Vật
lý kỹ thuật đã hỗ trợ các vật tư, thiết bị và tài trợ về kinh phí để có được kết quả nghiên cứu này.

220

N. A. Tuấn, …, H. C. Nguyên, “Tính toán thiết kế … ánh sáng yếu và ảnh nhiệt.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. F. E. Roach, Janet, L. Gordon, “The Light of the night sky”, D. Reidel publishing
company, 1977.
[2]. J. Martin, “Designing soldier systems: current issues in human factors”, Routledge,
New York, USA, 2016, tr. 137-138.
[3]. L. V. Thế, “Nghiên cứu, xây dựng bài toán nhận dạng và ứng dụng nhận dạng cảnh
báo mục tiêu xâm nhập trái phép cho hệ thống quan sát đêm,” Đề tài cấp Viện Vật lý
kỹ thuật, đã nghiệm thu 2017.
[4]. N. A. Tuấn, “Ứng dụng thuật toán tách biên hình ảnh Canny cho thiết bị quan sát
trộn ảnh quang học,” Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, số Đặc san FEE, 102019, tr. 273-280.

[5]. N. A. Tuấn, “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô đun trộn ảnh quang học cho thiết bị
quan sát đêm trên cơ sở sử dụng kênh ảnh nhiệt và khuếch đại ánh sáng yếu có sẵn,”
Đề tài cấp Viện Vật lý kỹ thuật, đã nghiệm thu 5/2020.
[6]. M. J. Kidger, “Fundamental Optical Design”, SPIE Press, Bellingham, WA 2002.
[7]. Грузевич Ю.К. “Оптико-электронные приборы ночного видения”, Москва
Физмалит 2014.
ABSTRACT
CALCULATION, DESIGN AND MANUFACTION OF OPTICAL FUSION IMAGE
SYSTEM COMBINING NIGHT VISION AND THERMAL IMAGING
Fusion-imaging is a steady trend for optoelectronic devices in recent years,
which is forecast to be the mainstream in up-coming years in Vietnam. By
performing a mix of two images to combine the superior features of thermal
imaging equipment with the ability to detect targets and the ability to distinguish
targets from good backgrounds, with the advantages of the night vision devices, the
high detailed images can be achieved. In this paper, the authors have calculated,
designed and manufactured a module of optical fusion image system combining
night vision and thermal imaging. Through field observation experiments, it has
clarified the superiority of optical image mixing equipment and demonstrated the
feasibility in advancing to mastering in terms of technology, design and
manufacture of optical fusion imaging devices in military applications.
Keywords: Optical image fusion; Beam fusion; Thermal image; Night vision.

Nhận bài ngày 30 tháng 7 năm 2020
Hoàn thiện ngày 05 tháng 10 năm 2020
Chấp nhận đăng ngày 05 tháng 10 năm 2020
Địa chỉ: Phòng Kỹ thuật hồng ngoại, Viện Vật lý kỹ thuật, Viện KH&CN quân sự.
*
Email:

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020

221