Nghiên cứu, thiết kế chế tạo ống kính thu dùng cho thiết bị đo xa bằng laser đơn xung 1.064nm

Đo xa bằng laser (Laser Range Finder - LRF) dựa trên nguyên lý đo thời gian xung dội (Time of Flight - TOF) có độ chính xác cao theo thời gian thực, được sử dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực. Đặc biệt phục vụ cho mục đích quân sự như trong các hệ thống điều khiển hỏa lực, các ứng dụng trong phòng không, tăng thiết giáp,...máy đo xa bằng laser được dùng để xác định tọa độ cự ly mục tiêu, nên còn được gọi là máy đo cự ly bằng laser.

Phần lớn các LRF được phát triển bởi các tập đoàn công nghệ - quân sự mạnh (Vectronix, JenOptik, Newcon - Optics, Elbit Systems, …), hoặc của các quốc gia có nền tảng công nghệ quang học phát triển ở mức cao (Nga, Trung Quốc, Belarus…). Những thông tin liên quan tới công nghệ hay khả năng chuyển giao công nghệ chế tạo LRF là rất ít ỏi và khó tiếp cận. Vì vậy để có thể tự chủ về công nghệ chế tạo LRF thì phương thức khả thi duy nhất là tự nghiên cứu - phát triển loại hình sản phẩm này.

Trong nước, nhu cầu sử dụng máy đo xa/ đo cự ly bằng laser phục vụ cho mục đích quân sự là rất lớn. Các hệ thống máy đo cự ly bằng laser dùng cho phòng không hiện đang sử dụng ở nước ta chủ yếu là nhập ngoại, giá thành cao, việc bảo đảm kỹ thuật cũng như bí mật quân sự gặp khó khăn.

Cấu tạo chung của TOF LRF (Hình 1) bao gồm : i) máy phát laser, ii) máy thu laser, và iii) khối điện tử - điều khiển.

Hình 1. Cấu tạo chung của TOF LRF

Máy thu laser là một thành phần quan trọng nhất của hệ máy đo xa bằng laser, bao gồm ống kính quang học thu gom bức xạ laser tán xạ từ mục tiêu và các mô đun thu sử dụng cảm biến có độ nhạy rất cao như PIN (photodiode) và APD (Avalanche PhotoDiode). Thành phần kỹ thuật này của hệ thống máy đo xa bằng laser không được cung cấp dưới dạng phụ tùng gốc (OEM) trên thị trường. Đây có lẽ là một trong những khó khăn công nghệ chính khiến việc phát triển các hệ thống máy đo xa/ đo cự ly bằng laser gặp nhiều trở ngại ở trong nước.

Việc nghiên cứu chế tạo một mô đun thu xung laser 1.064 nm tán xạ yếu và tích hợp, thử nghiệm với ống kính thu nhằm xây dựng kênh thu máy đo xa bằng laser có tính năng kỹ thuật đáp ứng được yêu cầu sử dụng chuyên dụng là một yêu cầu tự thân cấp bách, tiến tới mục tiêu làm chủ kỹ thuật và công nghệ chế tạo hoàn chỉnh máy đo xa bằng laser phục vụ an ninh - quốc phòng ở điều kiện nước ta. Đây là vấn đề công nghệ còn ít được nghiên cứu tại trong nước.

Từ thực tế này, Trung tâm Công nghệ Laser đã đề xuất và được Viện ứng dụng Công nghệ giao cho thực hiện đề tài cấp Bộ ‘Nghiên cứu, chế tạo mô đun thu xung laser 1.064 nm tán xạ yếu phục vụ tích hợp máy đo cự ly bằng laser theo nguyên lý xung dội’ với mục tiêu chính là phải thiết kế, chế tạo thành công 01 ống kính có khả năng thu bức xạ laser 1.064 nm tán xạ từ mục tiêu (3m x 20m) trong điều kiện thời tiết tốt ở khoảng cách hơn 10 km và hội tụ trên mặt phẳng cảm biến thu.  

Sau thời gian thực hiện nhiệm vụ, trên cơ sở phân tích yêu cầu kỹ thuật đã đặt ra phù hợp với định hướng ứng dụng và công nghệ trong nước, nhóm nghiên cứu xây dựng yêu cầu thiết kế ống kính. Và thực hiện các bước thiết kế quang học bằng phương pháp tối ưu hóa dựa trên kỹ thuật vẽ sơ đồ tia, sử dụng phần mềm Zemax. Ống kính thiết kế dựa trên các thấu kính đơn bán sẵn trên thị trường của hãng Thorlabs với các thông số thiết kế như bảng bên dưới.

Nhóm nghiên cứu đã thiết kế, chế tạo được 01 ống kính có khả năng thu bức xạ laser 1.064 nm tán xạ từ mục tiêu (3 m x 20 m, điều kiện thời tiết tốt, khoảng cách ~ 10 km) và hội tụ trên mặt phẳng cảm biến thu với các thông số kỹ thuật chính như sau:

   + Kiểu khúc xạ, gồm 3 plano –convex và 1 plano – concave;

   + Khẩu độ vào: 67,5 mm;

   + Tiêu cự hiệu dụng: 94 mm;

   + Khoảng tiêu diện sau: 12.216;

   + F# 1,4;

   + Độ phóng đại góc ~ 4 lần;

   + Tổng chiều dài ống kính ~ 160 mm.

Hình 2: Sản phẩm ống kính thu dùng cho thiết bị laser đo xa đơn xung 1064nm do nhóm nghiên cứu thiết kế, chế tạo

Kết quả mô phỏng trên phần mềm cho thấy ống kính thiết kế đạt chất lượng và yêu cầu đặt ra, có thể sử dụng trong kênh thu LRF-TOF, hoạt động ở bước sóng 1.064 nm. Hiện tại nhóm nghiên cứu đang tiếp tục thử nghiệm, đánh giá, và hoàn thiện ống kính để có được sản phẩm chất lượng tốt nhất.