HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ THÔNG MINH _ ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐO GIAO THOA SỬ DỤNG ĐIỀU BIẾN PHA KHÔNG GIAN ĐỂ ĐO BIÊN DẠNG, CHỤP CẮT LỚP Phần 1: Tổng quan đề tài 1.1. Tổng quan về các phương pháp để đo biên dạng, chụp cắt lớp đo bề dày 1.1.1. Tổng quan về các nghiên cứu trong nước Đo biên dạng và đo bên trong bề mặt là bài toán được đặt ra trong rất nhiều lĩnh vực, bao gồm cả y học, sinh học và công nghiệp. Trong sản xuất công nghiệp việc đánh giá và kiểm tra chất lượng sản phẩm, tìm các lỗi trên các chi tiết cơ khí (đặc biệt là trong quá trình sản xuất) là yếu tố then chốt để đảm bảo chất lượng sản phẩm. Phương pháp đo tiếp xúc sử dụng máy đo 3 tọa độ CMM 1,2 đang là phương pháp được sử dụng phổ biến hiện nay để đo biên dạng các bề mặt cơ khí. Các nghiên cứu hiện nay về CMM đang tập trung theo hướng nâng cao khả năng vận hành 3 và nâng cao độ chính xác 4,5. Đây là phương pháp đo tiếp xúc lấy dữ liệu từng điểm, do đó để xây dựng biên dạng vật đo thì cần rất nhiều phép đo. Do đó thời gian để đo biên dạng của chi tiết khi sử dụng phương pháp này là rất lớn. Hơn thế nữa đây là phương pháp đo tiếp xúc, do đó không thể áp dụng để kiểm tra các sản phẩm đang trên dây truyền sản xuất. Phương pháp đo không tiếp sử dụng khí nén đã được giới thiệu để đo đường kính của lỗ nhỏ hoặc khoảng cách nhỏ 6. Từ tập hợp các khoảng cách ta cũng có thể xây dựng lên được biên dạng của vật đo. Tuy nhiên, thời gian đo của phương pháp này cũng sẽ là một cản trở bởi cảm biến sử dụng khí nén sẽ có độ trễ so với cảm biến điện. Thời gian gần đây, một số nghiên cứu về phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc để đo quyét biên dạng 2D, 3D đã được một số nhóm nghiên cứu giới thiệu 7,8. Ưu điểm của phương pháp này là đo không tiếp xúc, tốc độ đo khá cao, phạm vi đo lớn. Tuy nhiên, độ phân giải của phương pháp này đạt được thường không cao, thường ở ngưỡng mm. Do đó không thể sử dụng để kiểm tra biên dạng của các chi tiết cơ khí (thường yêu cầu độ chính xác gia công ở cỡ 0.01 mm). Năm 2018, hệ đo giao thoa sử dụng điều biến tần số và pha theo thời gian 9 được giới thiệu để ứng dụng do dịch chuyển nhỏ. Phương pháp đo giao thoa này cho độ phân giải rất cao. Tuy nhiên, hạn chế của phương pháp này là phạm vi đo rất hẹp nên chỉ ứng dụng để đo dịch chuyển. Một trong những thách thức với phương pháp này là tăng phạm vi đo của hệ thống lên cỡ mm để có thể sử dụng đo kiểm tra biên dạng bề mặt cho các sản phẩm trong công nghiệp mà vẫn đảm bảo độ phân giải cỡ micromet. Bên cạnh đó nếu như hệ đo có khả năng phóng to thu nhỏ bề mặt thì sẽ rất hữu dụng cho việc kiểm tra các bất thường trên biên dạng bề mặt một cách rất linh động và hiệu quả. Do đó, các nghiên cứu nhằm tăng phạm vi đo của các hệ đo giao thoa và vẫn đảm bảo độ phân giải cao là rất cần thiết cho việc đo kiểm trong công nghiệp hiện nay. Cho đến nay, gần như chưa có công bố trong nước về các hệ đo giao thoa sử dụng điều biến pha không gian dùng để đo biên dạng 2D các chi tiết cơ khí và chụp cắt lớp đo chiều dày các tấm thủy tinh mỏng.
Nghiên cứu, xây dựng mô hình cơ sở mã hóa pha không gian (Spatial phase modulator) áp dụng cho nguồn sáng của hệ thống
Phép đo giao thoa ánh sáng trắng có khả năng thực hiện phép đo trong thời gian thực
Phương pháp giao thoa ánh sáng trắng Michelson truyền thống sử dụng ánh sáng từ nguồn sáng dải rộng để chiếu tới bộ tách tia, chia thành hai tia: một tia phản xạ từ gương M (chùm tham chiếu) và một tia từ bề mặt mẫu đo (chùm đo) Tia phản xạ từ cả hai nguồn sẽ giao thoa tại bộ tách tia, và tín hiệu giao thoa được thu nhận bởi bộ phận phát hiện Phương pháp này cho phép đo với độ phân giải cao, nhưng phạm vi đo bị giới hạn bởi chiều dài kết hợp của nguồn sáng, thường chỉ đạt cỡ micromet Để đo các mẫu lớn hơn chiều dài kết hợp, cần thiết kế cơ cấu di chuyển vật đo theo các phương X, Y, Z để quét toàn bộ biên dạng Để khắc phục vấn đề này, chúng tôi đã phát triển một hệ đo mới kết hợp phương pháp giao thoa kế Michelson với bộ mã hóa pha không gian.
Hình 2.2 Sơ đồ của hệ đo bằng phương pháp giao thoa được đề xuất
Lý thuyết chung về cách tử nhiễu xạ
2.2.1 Giới thiệu và phân loại cách tử quang nhiễu xạ a Khái niệm
Cách tử quang, hay còn gọi là cách tử nhiễu xạ, là một dụng cụ quang học tạo ra nhiễu xạ khi chùm ánh sáng chiếu đến Nó hoạt động như một phép chuyển đổi Fourier, tách sóng trong miền thời gian thành các dạng sóng riêng lẻ trong miền tần số, với mỗi tần số bị lệch theo các phương khác nhau Nguyên tắc hoạt động của cách tử quang tương tự như lăng kính, khi chùm tia tới bị khúc xạ hoặc phản xạ theo nhiều hướng khác nhau Điểm khác biệt là cách tử nhiễu xạ tạo ra chùm phản xạ (0 th Order) và nhiều chùm nhiễu xạ với các hướng khác nhau.
Về cơ bản sẽ có hai loại cách tử nhiễu xạ
-Cách tử nhiễu xạ loại truyền qua (Transmission diffraction grating)
-Cách tử nhiễu xạ loại phản xạ (Reflection diffraction grating)
Ngoài ra nhiều ta có thể phân chia cách tử nhiễu xạ theo dạng cấu trúc bề mặt cách tử.
- Cách tử nhiễu xạ khắc vạch dạng sóng (Holographic Surface Gratings)
- Cách tử nhiễu xạ dạng khắc vạch dạng Blaze (hình 2.3 (b))
Hình 2.3 Các dạng cách tử quang: (a) khắc vạch dạng Blaze (b) khắc vạch dạng sóng [11] c Ứng dụng của cách tử nhiễu xạ
Cách tử nhiễu xạ có nhiều ứng dụng quan trọng trong quang học, bao gồm việc sử dụng trong máy đo quang phổ (Spectrometer), khuếch đại xung laser thông qua phương pháp chirped pulse amplification, và trong buồng cộng hưởng của các nguồn quét laser (swept source).
Hình 2.4 Cách tử loại truyền qua được ứng dụng trong máy đo quang phổ [12]
Hình 2.5 Cách tử nhiễu xạ được sử dụng trong các buồng cộng hưởng của nguồn laser quyét tần số [11]
Hình 2.6 Cách tử nhiễu xạ được dùng để khuếch đại xung laser [13]
Dựa trên tính chất của cách tử nhiễu xạ, bài viết này đề xuất một ứng dụng mới cho phương pháp này, đó là mã hóa và điều biến pha không gian của nguồn sáng tới.
2.2.2 Lý thuyết tính toán về cách tử quang nhiễu xạ a Tính toán chung về cách tử nhiễu xạ
Khi chiếu sáng vào bề mặt cách tử, chùm sáng sẽ bị nhiễu xạ, và các vạch khắc trên cách tử giúp tách chùm sáng đa sắc thành các tia đơn sắc Các góc lệch của các tia này phụ thuộc vào bước sóng λ Điều kiện nhiễu xạ yêu cầu hiệu quang lộ của các tia đơn sắc cùng bước sóng phải là bội số nguyên của bước sóng.
Góc giữa tia tới và mặt phẳng pháp tuyến của cách tử được ký hiệu là \$\theta_i\$, trong khi góc giữa tia tới và mặt phẳng pháp tuyến của cách tử được ký hiệu là \$\theta_m\$ Khoảng cách giữa các vạch khắc trên cách tử được ký hiệu là \$d\$, với \$m\$ có thể nhận các giá trị \$0, \pm1, \pm2\$.
…; λ là bước sóng ánh sáng (nm);
Theo công thức (1), mỗi tia nhiễu xạ với bước sóng khác nhau sẽ được xác định bởi góc nhiễu xạ khác nhau, mặc dù cùng một góc tới và cùng loại cách tử Điều này cho thấy rằng mỗi tia nhiễu xạ được mã hóa tương ứng với bước sóng, góc tới và khoảng khắc vạch d.
Khi chùm tia tới là chùm đa sắc, các tia trong chùm nhiễu xạ sẽ bị tán xạ theo các hướng khác nhau, tương ứng với các góc nhiễu xạ khác nhau Điều này dẫn đến sự thay đổi quang lộ của các tia, tức là pha không gian của nguồn sáng tới đã bị biến điệu khi đi qua cách tử Cần tính toán cách tử nhiễu xạ cho hệ đo đề xuất.
Trong hệ đo đề xuất, cách tử đóng vai trò thay thế gương trong nhánh tia tham chiếu Hình 2.8 (a) và (b) thể hiện sự khác biệt giữa việc sử dụng gương và cách tử.
Hình 2.7 Sự nhiễu xạ của chùm sáng tới bởi cách tử
Hình 2.8 mô phỏng sự phản xạ và nhiễu xạ của chùm tia khi gặp bề mặt gương trong giao thoa kế Michelson Khi sử dụng gương, các tia trong chùm tia tới và chùm phản xạ có cùng quang lộ, dẫn đến cùng pha Do đó, vân giao thoa chỉ xuất hiện khi hiệu quang lộ giữa nhánh tham chiếu và nhánh đo nhỏ hơn độ dài kết hợp của nguồn sáng.
Trong bài viết này, chúng ta xem xét các yếu tố quan trọng trong việc đo lường quang học, bao gồm hiệu quang lộ giữa nhánh tham chiếu và nhánh đo (\$ \Delta L \$), độ dài kết hợp của nguồn sáng (\$ L_c \$), bước sóng trung tâm của nguồn (\$ \lambda \$), và độ rộng của nguồn sáng tính ở -3dB (\$ \Delta \lambda \$) Đối với nguồn sáng dải rộng với kích thước lên đến hàng trăm nm, độ dài kết hợp sẽ đạt ngưỡng micromet, dẫn đến phạm vi đo của hệ thống trở nên rất hẹp.
Khi áp dụng cách tử, pha của các tia trong chùm nhiễu xạ sẽ thay đổi so với các tia trong chùm tới Do đó, chùm nhiễu xạ này sẽ giao thoa với chùm phản xạ từ vật đo khi điều kiện được thỏa mãn.
Hiệu quang lộ (\(\Delta L\)) là sự khác biệt giữa nhánh tham chiếu và nhánh đo Đường kính của chùm tới được ký hiệu là \(D\), trong khi góc giữa tia tới và mặt phẳng pháp tuyến của cách tử được ký hiệu là \(\alpha\).
Hình 2.9 Mô phỏng góc quay của cách tử trong hệ đo đề xuất α =θ i
Bộ điều biến pha không gian (Spatial Phase Modulator) θ i = θ m
M ặt ph ẳng pháp tuyến Tia tới
Hình 2.9 mô tả điều kiện một chùm nhiễu xạ quay lại cùng phương với chùm tới là: góc tới bằng góc nhiễu xạ:
Góc quay của cách tử:
Thay vào công thức (1.1) ta có:
Như vậy điều kiện để tia nhiễu xạ thứ m quay lại cùng phương với chùm tới là
Góc tới và góc quay của cách tử thỏa mãn điều kiện (1.3) Khi đó phạm vi đo (z) của hệ được xác định bởi công thức (1.4):
2.2.3 Lựa chọn cách tử quang phù hợp Đối với hệ đo đề xuất thì mỗi kết quả đo từ cảm biến CCD là một bức ảnh (hình 2.10) cho phép ta trích xuất được hai phương kích thước của vật đo y z
Hình 2.10 Tín hiệu giao thoa thu được trên CCD của mẫu đo stepheight 100m [14]
Kích thước theo phương y thể hiện chiều cao của vật thể và phụ thuộc vào đường kính chùm tia cùng với kích thước cảm biến CCD theo phương y.
Kích thước của vật theo phương dọc quang trục được thể hiện bởi phương z, phụ thuộc vào độ biến điệu pha không gian do cách tử tạo ra và kích thước theo phương z của cảm biến CCD (dynamic range) Phạm vi đo do cách tử tạo ra cần phải tối ưu theo phạm vi đo của CCD Theo công thức (1.4), phạm vi đo này còn phụ thuộc vào đường kính của chùm tia tới, việc chọn chùm nhiễu xạ từ cách tử, bước sóng của chùm tới và khoảng khắc vạch trên cách tử.
Nghiên cứu, xây dựng mô hình laser xung lược trong việc mở rộng khoảng cách đo cho hệ thống đo giao thoa
Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu và phát triển mô hình laser xung lược nhằm mở rộng phạm vi đo lường Bài viết trình bày phương pháp tạo ra laser xung lược từ nguồn sáng dải rộng, cùng với cách chọn tham số của bộ cộng hưởng quang để tối ưu hóa điều kiện làm việc của hệ thống Ngoài ra, phương pháp tính toán bậc của các vân giao thoa cũng được đề cập.
Lý thuyết cộng hưởng Fabry-Perot cho ánh sáng dải rộng: các phương trình toán học
3.2.1 Định nghĩa về laser xung lược tần số
Nguồn laser xung lược tần số là loại laser có quang phổ với nhiều tần số rời rạc, cách nhau đều Có nhiều phương pháp để tạo ra laser xung lược, bao gồm điều biến nguồn laser liên tục, four-wave mixing trong vật liệu không tuyến tính, và ổn định tần số của chuỗi xung laser thông qua phương pháp mode-locked laser.
Quang phổ của một nguồn laser xung điển hình được thể hiện trong Hình 3.2.1, với các tần số rời rạc cách nhau một khoảng $\Delta f$ Khoảng cách $\Delta f$ này có thể dao động từ hàng chục MHz đến hàng trăm GHz.
3.2.2 Cơ sở lý thuyết việc mở rộng phạm vi đo của hệ thống bằng laser xung lược
Trái ngược với các chùm tia laser xung lược có độ kết hợp cao, các chùm ánh sáng xung lực tần số độ thấp thường được tạo ra từ nguồn ánh sáng dải rộng kết hợp với bộ cộng hưởng quang học Năng lượng quang phổ của các tần số xung lược được xác định bằng một công thức cụ thể.
Hình 3.2.1 Quang phổ của một nguồn laser xung lược tần số
FSR, F (f), và G (f) đại diện cho khoảng cách giữa các tần số xung lược liên tiếp, đường bao của tất cả các tần số rời rạc của nguồn sáng xung lược, và đường bao của một tần số xung lược.
Hình 3.2.2 minh họa mối quan hệ giữa quang phổ của nguồn xung lược tần số và tín hiệu giao thoa đầu ra Các tín hiệu giao thoa xuất hiện dọc theo trục đo với khoảng cách quang lộ (c) Những lược tín hiệu giao thoa này được xác định bởi biến đổi Fourier ngược của nguồn sáng xung lược tần số Ecomb (f).
Trong hệ đo giao thoa, f0, f(t) và g(t) đại diện cho tần số trung tâm của nguồn xung lược, biến đổi Fourier ngược của F(f), và biến đổi Fourier ngược của G(f) Các tín hiệu giao thoa được tạo ra liên tiếp với khoảng cách đều dọc theo trục đo, giúp mở rộng phạm vi đo của hệ giao thoa so với việc sử dụng nguồn sáng dải rộng trước đây.
Thiết kế, lựa chọn cộng hưởng FP phù hợp cho mục đích tăng khoảng cách đo
3.3.1 Cấu tạo của buồng công hưởng dạng Fabry-Pétrot (FP)
Buồng cộng hưởng Fabry-Pérot (FP) được cấu tạo từ các tấm trong suốt có hai mặt phản chiếu hoặc hai gương song song Mỗi bề mặt của buồng này được phủ một lớp vật liệu mỏng.
Hệ số phản xạ và truyền qua của từng mặt tấm thường được tạo ra từ vàng Dải phổ truyền qua buồng cộng hưởng phụ thuộc vào các bước sóng có khả năng truyền qua lớn nhất, tức là những tần số thỏa mãn điều kiện cộng hưởng Thiết bị này được đặt theo tên của Charles Fabry và Alfred Pérot, những người đã phát triển nó vào năm 1899.
Hình 3.2.2 minh họa mối quan hệ giữa quang phổ của nguồn sáng xung lược và tín hiệu thoa hiệu giao thoa Nguồn sáng xung lược với tần số được sử dụng trong hệ đo giao thoa đóng vai trò quan trọng trong việc xác định các đặc tính của tín hiệu giao thoa.
Hình 3.2.3 Buồng công hưởng FP
3.3.2 Tính toán thiết kế những thông số của buồn cộng hưởng dạng Fabry-Pétrot
Các tần số lược được tạo ra khi một nguồn ánh sáng có phổ dải rộng truyền qua bộ cộng hưởng quang học FP, như thể hiện trong hình 3.2.4.
Trong buồng cộng hưởng, các tần số của nguồn dải rộng được phản xạ nhiều lần, chỉ những tần số thỏa mãn điều kiện cộng hưởng mới được truyền qua Sau khi đi qua buồng cộng hưởng, nguồn sáng thu được là tổng hợp của tất cả tần số từ nguồn sáng dải rộng mà thỏa mãn điều kiện Độ truyền qua T của buồng cộng hưởng quang được biểu diễn bằng một công thức cụ thể.
Trong buồng cộng hưởng quang học, các hệ số t1, t2, r1 và r2 đại diện cho độ truyền qua và phản xạ của mặt trước và mặt sau Tốc độ ánh sáng trong chân không được ký hiệu là c, trong khi f là tần số ánh sáng tương ứng Chiết suất của vật liệu và chiều dày của buồng cộng hưởng được ký hiệu là n và D Thêm vào đó, l thể hiện sự trễ pha giữa hai chùm sáng trước khi vào cộng hưởng quang Độ truyền qua T có thể được xác định thông qua các công thức hình học và toán học.
Hình 3.2.4 Mô phỏng sơ đồ hệ đo khi sử dụng nguồn sáng xung lược tần số được ứng dụng cho hệ đo giao thoa [1]
Trong đó là sự trễ pha khi chùm tới truyền được 1 vòng trong cộng hưởng Cường độ của chùm tia truyền sau đó được tính như sau:
(2.5) và độ trễ pha được tính như sau:
(2.6) trong đó D và là độ dày của buồng cộng hưởng quang học và góc giữa ánh sáng tới và bề mặt của buồng cộng hưởng.
Hiện tượng cộng hưởng xảy ra khi cường độ chùm sáng đạt giá trị lớn nhất, cụ thể là khi độ trễ \$\Delta\phi = 2\pi\$ Tại thời điểm này, các tần số đáp ứng các điều kiện cộng hưởng của buồng cộng hưởng quang học được tính toán theo công thức (2.5).
Khoảng cách giữa hai tần số cộng hưởng liên tiếp, được gọi là "comb interval" hay Free Spectral Range (FSR), là một khái niệm quan trọng trong quang học FSR được xác định bằng công thức cụ thể, giúp hiểu rõ hơn về sự phân bố tần số trong các hệ thống quang học.
Hình 2.2 chỉ ra mối liên hệ giữa độ trễ giữa hai tín hiệu giao thoa liên tiếp trên trục đo của hệ và bước xung lược FSR:
Khoảng cách giữa hai tín hiệu giao thoa liên tiếp có thể được tính toán, hoặc xác định khoảng đo của hệ thống khi sử dụng hai tần số xung lược lân cận.
Công thức (2.10) được áp dụng để tối ưu hóa các thông số của buồng cộng hưởng, bao gồm kích thước chùm sáng, kích thước của grating và kích thước của camera CCD trong hệ đo.
Cách thức nội suy ra hệ số bậc giao thoa khi sử dung bộ cộng hưởng FP: 3 cách: góc nghiêng, thay đổi chiết suất, 2 bước sóng
Khi nguồn laser xung lược được sử dụng trong hệ đo giao thoa, các chuỗi tần số sau biến đổi Fourier sẽ tạo ra các tín hiệu giao thoa với độ trễ.
Do sự xuất hiện liên tục của các tín hiệu giao dọc theo chiều dài quang trục trong các hệ đo giao thoa, cần thiết phải có phương pháp xác định các bậc của vân giao thoa tương ứng Điều này sẽ giúp chúng ta nội suy được quang lộ (nL) hoặc kích thước của vật đo.
Theo (2.8), bước tần số xung lược phụ thuộc vào góc nghiêng $\theta$ giữa tia tới và buồng cộng hưởng, chiết suất $n$ của buồng cộng hưởng, cùng với độ dày $d$ của buồng cộng hưởng Quang lộ $nL$ được tính từ FSR theo công thức:
Để xác định bậc của vân giao thoa k, ta điều chỉnh FSR một lượng nhỏ sao cho bậc của vân giao thoa không thay đổi Gọi giá trị ban đầu là FSR0 và giá trị sau điều biến là FSR1 Thay vào công thức (2.11), ta sẽ có kết quả cần thiết.
Nhìn vào (2.12) ta thấy giá trị của k có thể được xác định thông qua các tham số nL (k), FSR0 và FSR1.
3.4.2 Ba phương pháp thay đổi giá trị FSR để xác định bậc của vân giao thoa a Thay đổi góc nghiêng giữa chùm tới và buồng công hưởng
Hình 3.2.5 mô phỏng sự thay đổi trong bước xung lược (FSR) tại các góc tới khác nhau, cho phép xác định FSR0 tại $\theta=0^\circ$ và FSR1 tại $\theta=\theta_1$ bằng công thức (2.8) Trên màn hình CCD camera, độ dịch chuyển vân n$\Delta L$ (k) được xác định, từ đó áp dụng vào công thức (2.12) để xác định bậc của vân giao thoa Để thay đổi chiết suất của buồng cộng hưởng, tác giả đã thiết kế một buồng cộng hưởng dạng liquid-crystal.
Buồng cộng hưởng được cấu tạo từ hai tấm thủy tinh phủ lớp Au, tạo ra hệ số truyền qua t Ở giữa hai tấm, tinh thể MLC14300 được bơm vào, với chiết suất có thể điều biến bằng điện áp cao Sự thay đổi điện áp dẫn đến biến đổi chiết suất của MLC14300, từ đó ảnh hưởng đến FSR theo công thức (2.8) Hình 3.2.7 cho thấy khi điện áp điều biến từ 50V đến khoảng 600V, bước xung lược thay đổi một lượng $\Delta FSR = 1.14 \text{ GHz}$.
Hình 3.2.5 Mô phỏng sự phụ thuộc của FSR vào góc tới [1]
Hình 2.7 Mối quan hệ giữa FSR và điện áp đặt trên lớp tinh thể chất lỏng
Hình 3.2.6 Cấu tạo của buồng cộng hưởng FP sử dụng liquid crystal [2]
Phương pháp này cho phép xác định bậc giao thoa thông qua việc đo bước xung lược FSRi tương ứng với điện áp Vi áp dụng lên tinh thể lỏng, cùng với độ dịch chuyển của vân giao thoa trên camera CCD Bên cạnh đó, việc thay đổi bước sóng của ánh sáng tới cũng là một yếu tố quan trọng trong quá trình này.
Như ta đã biết thì chiết suất của 1 vật liệu bất kỳ sẽ phụ thuộc vào bước sóng Hình
3.2.8 mô tả sự phụ thuộc của chiết suất vào bước sóng đối với một số loại vật liệu thủy tinh Như vậy với buồng cộng hưởng FP thì ta có thể thay đổi chiết suất khi thay đổi bước sóng của chùm tới Từ đó ta có thể điều biến FSR và suy ra được bậc của vân giao thoa Từ công thức (2.11) ta có:
Để tối ưu điều kiện làm việc của hệ thống, cần chọn tham số cho bộ cộng hưởng quang nhằm tạo ra bước của các xung lược Ba phương pháp được đề xuất bao gồm: thay đổi góc tới, thay đổi chiết suất và thay đổi bước sóng tới để tính toán bậc của các vân giao thoa.
Hình 3.2.8 Mô phỏng sự thay đổi của vị trí vân giao thoa khi bước sóng tới buồng cộng hưởng FP thay đổi [4]
Hình 3.2.8 Mối quan hệ giữa chiết suất n và bước sóng [3]
Nghiên cứu, tính toán khả năng phóng to thu nhỏ phạm vi đo theo phương chiều sâu bằng việc sử dụng các bậc khác nhau của bộ mã hóa pha không gian của hệ đo
Nguyên lý đo hệ thống đo giao thoa sử dụng điều biến pha không gian
Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống đo giao thoa sử dụng bộ điều pha không gian kết hợp với nguồn sáng dải rộng xung lược tần số
Hệ thống đo giao thoa sử dụng bộ điều pha không gian, như thể hiện trong Hình 4.1, dựa trên nguyên lý của giao thoa kế Michelson, với gương phẳng được thay thế bằng bộ điều biến pha không gian Bộ điều biến pha này hoạt động dựa trên cách tử nhiễu xạ, làm biến đổi thành phần pha của các tia trong chùm nhiễu xạ so với chùm tia tới Các tia này, với quang lộ khác nhau, sẽ hội tụ tại camera CCD qua hệ thấu kính và giao thoa với tín hiệu phản xạ từ các chiều sâu khác nhau của mẫu Sử dụng thấu kính trụ ở nhánh đo giúp tạo ra line-focus trên mẫu, cho phép thu được kích thước theo cả phương ngang và chiều sâu chỉ với một lần đo Kết quả hiển thị trên camera CCD là các vân giao thoa 2D tương ứng với biên dạng vật đo.
Hình 4.2 Điều kiện một chùm nhiễu xạ quay lại CCD camera là phương chùm nhiễu xạ cùng phương với chùm tới.
Từ hình 4.2 ta có i = m , thay vào công thức cách tử nhiễu xạ [5], ta có góc α hay i.
Khi đó phạm vi đo (Z) của hệ được xác định bởi công thức
Với D: là đường kính chùm tia, m: bậc của nhiễu, : bước sóng của chùm sáng tới cách tử và a = 1/LPM là thông số kỹ thuật của cách tử quang.
Phạm vi đo của hệ thống phụ thuộc vào bậc m của nhiễu xạ, cho phép tạo ra các chiều sâu đo khác nhau khi sử dụng các bậc nhiễu xạ khác nhau Điều này là cơ sở để phóng to hoặc thu nhỏ kích thước vật theo phương chiều sâu Để mở rộng phạm vi đo, nguồn sáng dải rộng xung lược tần số đã được áp dụng, với năng lượng quang phổ của các tần số xung lược được xác định bằng một công thức cụ thể.
FSR, F (f), và G (f) đại diện cho khoảng cách giữa các tần số xung lược liên tiếp, đường bao của tất cả các tần số rời rạc của nguồn sáng xung lược, và đường bao của một tần số xung lược α = θ i.
Bộ điều biến pha không gian (Spatial Phase Modulator) θ i = θ m
M ặt ph ẳng pháp tuyến Tia t ới
Hình 4.3 minh họa mối quan hệ giữa quang phổ của nguồn sáng xung lược và tín hiệu thoa hiệu giao thoa, khi nguồn sáng xung lược có tần số được sử dụng trong hệ đo giao thoa.
Hình 4.3 minh họa mối quan hệ giữa quang phổ của nguồn xung lược tần số và tín hiệu giao thoa đầu ra Các tín hiệu giao thoa xuất hiện dọc theo trục đo với khoảng cách - quang lộ (c) Những lược tín hiệu giao thoa này được xác định bởi biến đổi Fourier ngược của nguồn sáng xung lược tần số Ecomb (f).
Trong hệ thống giao thoa, f0, f(t) và g(t) đại diện cho tần số trung tâm của nguồn xung lược, biến đổi Fourier ngược của F(f), và biến đổi Fourier ngược của G(f) Các tín hiệu giao thoa được tạo ra liên tiếp với khoảng cách đều dọc theo trục đo, giúp mở rộng phạm vi đo của hệ giao thoa so với trước đây.
Khả năng phóng to thu nhỏ
Sử dụng cách tử quang trong giao thoa ánh sáng cho phép điều biến pha của chùm sáng tới, giúp chùm nhiễu xạ từ cách tử hội tụ trở lại CCD camera qua cấu trúc 4-f thấu kính Nhờ đó, chùm nhiễu xạ với các quang lộ khác nhau sẽ giao thoa với chùm phản xạ tại các chiều sâu mẫu khác nhau Hệ giao thoa này, nhờ vào điều biến pha không gian, có khả năng vượt qua hiện tượng 2 ambiguity mà các phương pháp giao thoa trước đây gặp phải Chỉ với một lần chụp, ta có thể thu được thông tin đồng thời theo phương ngang và phương chiều sâu của vật đo.
Sử dụng laser xung lược tần số (optical frequency comb) giúp mở rộng phạm vi đo mà không cần thực hiện các chuyển động quét theo chiều sâu z như trong các phương pháp chụp cắt lớp quang học (OCT) truyền thống.
Bằng cách sử dụng các bậc khác nhau của bộ điều biến pha không gian, chúng ta có thể tạo ra tính năng phóng to và thu nhỏ (zooming) phạm vi đo theo chiều sâu, như minh họa trong hình dưới đây.
Hình 4.4 100 micro step height đo tại các bậc khác nhau của bộ điều biến pha không gian
Hình 4.5 Mối quan hệ giữa thứ tự SPM và phạm vi đo lường
Chuyển phạm vi đo dọc trục
Trong phần này, chúng tôi đánh giá hiệu quả của thứ tự nhiễu xạ SPM trong việc chuyển đổi phạm vi đo, nhằm cung cấp hoạt động thu phóng trong chụp cắt lớp và đo đặc điểm Một thử nghiệm đã được thực hiện để so sánh với mô phỏng, sử dụng mẫu chiều cao bước tham chiếu với chiều cao 100 μm ± 0,2μm Thứ tự nhiễu xạ SPM được điều chỉnh bằng cách xoay SPM đối với chùm nhiễu xạ vào máy ảnh CCD Để cải thiện hình ảnh rìa giao thoa, quá trình xử lý tín hiệu đã được áp dụng để loại bỏ phần bù nền và thu được cường độ tuyệt đối của mỗi pixel Hình 4.4 minh họa một loạt hình ảnh rìa giao thoa 2D của mẫu chiều cao bước với các thứ tự SPM khác nhau, trong đó phần rìa giao thoa có cấu trúc đường đứt nét do hiệu ứng điều chế pha rìa Trục hoành của hình ảnh biểu thị thông tin độ sâu của mẫu, trong khi trục tung thể hiện thông tin bên dọc theo chùm hội tụ Hai vân giao thoa hình đường thẳng, tương ứng với hai bề mặt phản chiếu trên mẫu, được quan sát rõ ràng.
Phạm vi đo dọc trục được xác định bởi chiều rộng từ trái sang phải của hình ảnh 2D, và có thể thay đổi theo thứ tự SPM, như thể hiện trong Hình 4.4 và Hình 4.5 Kết quả từ thí nghiệm và mô phỏng lý thuyết cho thấy rằng phạm vi đo có thể điều chỉnh bằng cách kiểm soát thứ tự SPM, với 8 chùm nhiễu xạ được tạo ra trong thí nghiệm Phạm vi đo có thể thay đổi từ 200 μm đến 1,2 mm, dẫn đến hiệu ứng phóng to và thu nhỏ theo hướng trục Chức năng thu phóng này rất hữu ích cho các ứng dụng công nghiệp, cung cấp sự linh hoạt trong việc theo dõi các độ sâu khác nhau của mẫu, đặc biệt trong hệ thống đo thời gian thực.
Nghiên cứu, xây dựng giao diện người sử dụng để điều khiển CCD Camera, đồng thời hiển thị các vạch giao thoa trên màn hình
Mục đích của chuyên đề
Nghiên cứu và phát triển thuật toán cùng phần mềm điều khiển camera CCD, cho phép người dùng quan sát vân giao thoa trong thời gian thực và lưu trữ kết quả đo dưới dạng hình ảnh.
Yêu cầu hiển thị các thông số đo trên phần mềm
Phần mềm cần hiển thị:
- Ảnh vân giao thoa trên CCD camera.
- Cho phép truy xuất và cài đặt các thông số của CCD camera:
+) Thay đổi thời gian phơi sáng (exposed time) của camera (qua đó giúp tăng hoặc giảm cường độ sáng với CCD).
+) Tăng giảm tốc độ chụp của camera (frame rate)
+) Thay đổi cường độ sáng tối của hình nền của ảnh để người dùng dễ dàng quan sát vân giao thoa hơn trên CCD.
+) Xóa và hiển thị ảnh mới trong thời gian thực (clear, capture and display)
+) Hiển thị line profile của ảnh trên CCD camera trong thời gian thực.
+) Lưu trữ dữ liệu, kết quả đo dưới dạng file ảnh (**.jpg; **.png…) hoặc movies file.
5.3 Lựa chọn CCD camera và nghiên cứu các thư viện SDK của camera để xây dựng phần mềm hiển thị và lưu kết quả đo
Tác giả đã chọn cảm biến CCD của hãng IDS, model UI-1490SE-C-HQ, để đáp ứng các yêu cầu về hiển thị Thông số kỹ thuật của camera được trình bày trong bảng 4.1.
Hình 5.1 Thông số kỹ thuật của camera
5.3.2 Xây dựng sơ đồ thuật giải a Giải thuật làm đều background của CCD camera
Yêu cầu tính toán cường độ xám cho từng pixel trong ảnh, sau đó hiệu chuẩn lại cường độ xám của mỗi pixel trong ảnh mới để đảm bảo chúng đồng nhất về cường độ xám.
Initial setup (Set: fps (T f ), exposure time, H,V, offset)
YN b Giải thuật tự động làm đều background của CCD camera
Yêu cầu tính toán cường độ xám của từng pixel trong ảnh và hiệu chuẩn lại cường độ xám của mỗi pixel trong ảnh mới để đảm bảo chúng đồng nhất Khi cường độ của mỗi pixel thay đổi vượt qua một ngưỡng nhất định, hệ thống sẽ tự động điều chỉnh để các pixel có cùng nền.
Initial setup (Set: fps (Tf), exposure time, H,V, offset)
YN c Giải thuật hiển thị ảnh trong thời gian thực
Yêu cầu là chụp và hiển thị một ảnh trong khoảng thời gian của một frame rate, sau đó tự động chụp lại và hiển thị ảnh mới Quá trình này sẽ lặp đi lặp lại cho đến khi nhận được lệnh dừng.
Image = Capture.Camera t = 0 Initial Image = Capture.Camera
Initial setup (fps, exposure time…)
Y d Giải thuật hiển thị line-profile trong thời gian thực
Mỗi khoảng thời gian t = Tf (tốc độ khung hình), một bức ảnh sẽ được chụp Tiếp theo, vẽ biểu đồ cường độ của một đường đã xác định tọa độ trên CCD và hiển thị biểu đồ đó trong thời gian Tf Quy trình này sẽ được lặp lại sau mỗi khoảng thời gian t = 2Tf.
Display.Camera = Image Intensity(x,y) = Intensity (Image, Row, Column) t = 0;
Initial setup (set: start stop position, thickness, fps (Tf) exposure time, enable line-profile display window)
5.3.4 Xây dựng phần mềm hiển thị kết quả đo
Hình 5.4.1 Giao diện của phần mềm hiển thị ảnh của CCD camera trong thời gian thực
Hình 5.4.2 Ảnh thu được từ CCD camera trước khi và sau khi làm đều background
Exposure time Frame rate (FPS) Ảnh của CCD camera
Hình 5.4.3 Giao diện của phần mềm hiển thị kết quả đo của hệ
Dựa vào kết quả từ hình 4.3, chúng ta có thể nội suy kích thước của vật thông qua các tham số hiệu chuẩn, cụ thể là 0.8 m/pixel Với kết quả đo là 126 pixels, kích thước của mẫu đo được tính toán là 100.8 m.
Hình 5.4.4 Đo biên dạng 1 phần mẫu vật đồng xu 10 yên
Hình 5.4.5 Multi – layer glass sample consisting ò 3 glass plates with thicknesses of 30 μm ± 8 μmHình 5.4.6 Line profile ò the multi – layer sample
Thực nghiệm, Kết luận, hướng phát triển
Phạm vi đo có thể được điều chỉnh thông qua việc kiểm soát thứ tự SPM, với 8 chùm nhiễu xạ đang được sử dụng trong thí nghiệm, cho phép thay đổi phạm vi từ 200 μm đến 1,2 mm.
Chức năng thu phóng là một yếu tố quan trọng trong các ứng dụng công nghiệp, mang lại sự linh hoạt trong việc theo dõi độ sâu khác nhau của mẫu Điều này đặc biệt hữu ích trong các nhà máy sản xuất linh kiện cơ khí chính xác, nơi cần đo độ dày của lớp sơn ô tô, cũng như trong các nhà máy sản xuất màn hình điện thoại để kiểm tra độ dày của các lớp thủy tinh mỏng và phát hiện các vết xước trên bề mặt thủy tinh.