Luận văn thạc sĩ nghiên cứu các yếu tố Ảnh hưởng Đến sai số khi Đo profile bề mặt chi tiết máy khi sử dụng máy Đo ba chiều vk450

- Profile hinh hoc: Là tiết điện của bê mặt hình học được cắt bởi mặt phẳng, theo phương nhật định số với bế mặt hình học,... Các phương pháp đo độ nhám theo nguyên tắc đo không tiếp xú

Bộ giáo dục và đào tạo

Trường đại học bách khoa hà nội

Nguyễn kiều Ân

Nghiên cứu các yếu tỗ ảnh hưởng tiến sai số khi đu profile hề mặt chỉ tiết máy khi sử dụng

máy đo ba chiều vk450

Chuyển ngành: Máy Chính xác

Mã số:

Luận văn thạc sĩ khoa học

Người hướng đẫn khoa học

'TS Nguyễn Thị Phương Mai

11à nội - 2010

Muc luc

Trang Muc luc

Chương I: Tổng quan về các nhường nháp da dộ nhằm thông dụng

1.1.2 Dặc trưng cơ bản của nhấp nhé bé mat 4

1.1.3 Các chỉ tiêu đánh giá độ nhám bề mặt 6

1.2.1.2 Ưu nhược điểm của phương pháp đo tiếp xúc 7 1.2.1.3 Các phương pháp đo độ nhám theo nguyên tắc đo

§

tiếp xúc 1.2.2 Các phương pháp đo không tiếp xúc 10

2.2.2 Ưu nhược điểm của phương pháp đo không tiếp xúc 10 1.2.2.3 Các phương pháp đo độ nhám theo nguyên tắc đo

1.2.3 Phương pháp đo độ nhám bằng ảnh toàn ký điện tử 2

1.2.3.4 ảnh toàn ký sử đụng 2 sóng khác nhau 28

Chương II: Nghiên cứu về ảnh toàn ký điện tử

2.1 Tạo ánh Loàn kỹ diện tử

2.2.1 Kính hiển vị giao thoa

2.2.2 Kính hiển vị giao thoa khuyếch đại pha

a Phương pháp quang học

b Phương pháp số

c Phương pháp chuyển dịch pha trong sự tái tạo quang học

d Phương pháp chuyển địch pha trong hiển vi điện tử

2.2.3 Tải tạo hình ảnh ba chiêu

3.1 Tìm hiểu về máy đo VK 450

3.1.1 Giới thiệu Linh năng hoạt dộng

3.1.2 Dánh giá bề mặt chỉ tiết qua phân tích ảnh trên VK 450

về cầu trúc prolile và độ nhám của chỉ tiết

3.2 Chế tạo mẫu nhám bê mặt

3.2.1 Chế độ cắt của mẫu phay

61

74 74

3.2.2 Kết quả đo độ nhám của các mẫn gia công phay bằng phương pháp đo tiếp xúc

3.3 So sánh phương pháp quang học và phương pháp đầu dé

DANH MuC CaC HiNH

3 Hình 13a Những đặc rung co ban của nhập nhỏ bè

mat

4 Hình 1.3b Mô t chiên đài chuân , chiều dải khoảng

đo lường

5_ | Hmh14 Mô tả đường trưng bình Prafile

ó6 | Hinhl.5 Mô tả dạng bễ mặt kiếm tra vá quỹ tích tâm

đầu đo

7 Hinh 1.6 Neuyén ly do ciia Profilemet kiéu thuan co

khí

8 Hinh 1.7 Nguyên lý đo của Profilegafa kiêu cảm ứng |

10 | Hinh19.a Nguyên lý dúng bản móng hình nêm

13 | Hinh1.10 Nguyên lý đo của đựng cụ

16 | Hinh 1.14 Mô tã độ nhấp nhé cea bé mat theo mau sac

17 | Binh 1.15 ‘M6 ta 3D cita bé mat vat ligu

18 Tĩnh 1.16 Nguyên lý đo của phương pháp đồm sáng

19 | Hìmhll?7 ảnh toàn ký điện tử đồng trục cửa một điểm:

vật

20 | Tinh 1.18 Tlinh anh tai tạo không bị cản trở bởi ảnh

kết hợp, các kích thước được giảm trong

qua trình hình thành ảnh toàn ký

21 | Hinh 1.19 Phuong pháp ảnh toàn ký lệch trục của đối

tượng điểm

Chương 2

22 | Hinh21 Biểu đỏ tia ánh dao thoa điện tử

23 | Hinh2.2 Sơ đồ mặt cắt ngang của kính hiển vi điện

tử tạo ảnh toàn ký

24 _ | Hinh23a,b Lãng kinh điện tứ kép

25 Hình 2.4 Hệ thống tái tạo lại ảnh bằng kính hiển vì

giao thoa

6 | Hinh 2.5 a,b anh giao thea

27 Hình 2.6 a.b Nguyên ly sau kbuyéch đại pha kính hiển vi

28 | Ainh2.7 TH thống quang học lái tạo lại đối với gian

thoa dimg kinh hién vi điện tử

29 | Hinh28 Hệ thống lọc quang trong không gian đổi

với dạng khuyếch đại pha

30 | Hình29 He thong tai tạo lại đối với khuyếch đại pha

của kinh hiển vi ding cf hai phương pháp

quang học và phương pháp số

31 | Hình210 Nguyên lý sau dịch chuyển pha của đụng cụ

do giao thoa

32 | Hìni211 Nguyén ly sau tomography trên máy tỉnh

33 | Minh 2.12 Quan sát tức thời ánh toàn ký điện tứ sứ

37 | Hmh216 TH thống tái tạo lan quang học đề điều

40 | Hinh 3.1 May do ba chiều VK 450

41 Tĩnh 3.2 Mô tả chúc năng trường qua sát sầu

43 | Hìh343 Mô tả chức năng phóng đại hình ảnh

43 | Hinh3.4 Mô tả khả năng làm giảm các yếu tố anh

hướng,

45 | Hinh3.6 Mồ tả bộ thích nghị chiếu sảng, thẳng dimg

46 | Hinh3.7 Mô tả quan sát một IC với độ phóng, đại

49 | Hinh 3.10 ảnh bể mặt cửa lớp bể mặt phay thép CT45

51 Hinh 3.12 Quan hệ giữa Ra vả tốc độ cất V

52 | Hìn313 Quan hệ giữa Ra và bức tiên S

53 | Hinh 3.14 Quan hệ giữa Ra và chiêu sâu cất t

54 Tĩnh 3.15 ảnh đường cong của loạt mẫu thứ nhật

33 | Hinh3.16 ảnh đường cong của loại mẫu thứ hai

56 | Hinh3.17 ảnh dưỡng cong cúa loạt mẫu thử ba

DANH MuC CaC BaNG

1 | Bâng31 khoảng cách quan sát của đèn

2 | Bảng3.2 Chế dộ cất của mẫu phay khi thay dối tốc độ cát từ

6 | Bảng36 Kết quả đo độ nhám của loạt mầu thứ hai

7_— | Bảng 37 Tết quả do độ nhám: cửa lưạt mẫu thứ ba

8 Bang 3.8 So sảnh phương, pháp đầu đỏ tiếp xúc và phương pháp

quang học

Hinh 1.1: Minh hoạ các khải niệm bé mat

- Bé mat bình học: Là bề mặt ngăn cách giữa vật thể và môi trường xưng quanh, không tôn tại các nhấp nhô và các sai lệch về hình dạng

~ BÊ mặt thực: Là bễ mặt ngần cách giữa chỉ tiết và môi trường, là sán phẩm nhận được sau một quá trình gia công đế tạo ra vật thẻ đó

~ BÊ mặt đo: Là bề mặt nhận được sau quá trình sao chép từ bê mặt thực của chỉ tiết cản do qua dung cu do

- Profile hinh hoc: Là tiết điện của bê mặt hình học được cắt bởi mặt phẳng,

theo phương nhật định số với bế mặt hình học,

Hinh 1.34: Những đặc trưng cơ bán của nhấp nhô bề mặt

điện gủa bể mặt được do cất bởi mặt phẳng theo

- Bước cũu nhấp nh: Là khoảng cách giữa các đình của nhấp nhô (chủ kì

nhấp nhỏ) ký hiệu là p

~ Chiều cao nhân uhé h: 1.4 khoang cach từ các đình nhập nhô đến chân nhấp

“hô theo phương pháp tuyển với bai đường thẳng áp nhau

C6 ba đạng nhấp nhỏ

+ Khi p/h < 50 gọi là nhấp nhỏ tế vi hay nhám bẻ mặt

+ Khi ph — 50 : 1000 gọi lá sóng bể mặt

+Khi p/h > 1000 thuộc về sai lệch hình đạng nhập nhồ

~ Chiễu dài chuẩn L: Là chiều đài của khoảng cách được chọn đề đo độ nhám

và không tính đến dang hap nhô khác có bude lon hon I

Hình 1.36: A1ô tả chiều dài chuẩn, chiều dài khoảng đo lường

~ Chiằu đài khoảng do lường: Là chiêu đài ngắn nhật của khoăng bè mặt cần thiết để xác dịnh rnột cách chắc chắn, dặc trưng của dộ nhám

'Ta cỏ các khoáng đo là đối với mỗi phương pháp công nghệ là khác nhau,

trong đó giá trị độ nhám bể mặt trở nên ốn định

Vi dụ thông số lự phụ thuộc vào phương pháp gia nồng:

+ Tiên và phay: ly 20.; Mai va danh bong: k (6: 7N

+'Tiện siêu tính và mài: l„ = (3 + 6)L; Mải rả lẫn cuốt: l = (10+ 12)L

1.1.3 Các chỉ tiêu đánh giá độ nhám hễ mị

Người ta dùng các yếu tổ hình học của nhám làm chí tiêu đánh giá độ nhám bề mặt Các chỉ tiêu này được xác định trong chiều dai chudn L va được tính toán so với đường trung bình của profile bể mặt Đường trung binữt mm gọi là đường chuấn

(Hình 1.4)

Tường trung bình là đường chia proBile bẻ mặt sao cho tổng diện tích (tạo bởi

nó và profile) ở hai phía đường đó lá bằng nhau tức là

Là trung bình sổ hạc các giá trị tuyết đối của sai lệch profile (y), y là khoảng

cach tir cac diém trén profile dến dường trung binh do theo phương pháp tuyến với

Tả trị số tuyệt đối trung bình của chiều cao 5 dinh cao ult Himes va chiéu sau

Š đây thấp nhất 11am« của profile trong giới hạn chiều dải chuân,

‘Tuy thuộc vào chất lượng yêu cầu của bề mặt, dặc tỉnh kết cấu của bề mặt má

người ta chọn một trong hai chỉ tiêu đánh giá độ nhám (E„ hay R.) ở trên đã trinh

bây Trong sản xuất sử dụng chủ yếu chỉ tiêu Rạ vì nó cho ta đánh giá chính xác hơn

và thuận lợi hơn đổi với các bé mặt có độ nhám trung bình

1.2 các phương pháp đo độ nhám thông dụng:

1.2.1 Các nhương pháp đu tiếp xúc:

1.2.1.1, Nguyên tắc chung của phương pháp:

Nguyên tắc của phương pháp đo tiếp xúc chính là di chuyển kim dò vuông góc

với cáo vết gia công, Dịch chuyển này sẽ được khuyếch đại bằng phương pháp cơ khi, quang điện, thuỷ lực và dược chỉ thị rye tiép trén bang chia, chụp ánh, ghi

đô thị đo liên tục

Để phân ảnh trung thực bể mặt kiểm tra thì kim phải nhọn tuyết đối, thực tế không thể chế tạo một kim như vậy Vì vậy kết câu thực của dầu dò thường có hình

côn hay tháp mà đũnh có một góc lượn bán kinh r 0.3 : 0,3 pm lim bằng vật liệu

chu mỏn (kưn cương hoặc hợp kim cứng)

1.2.1.3 Ưu nhược điểm của phương pháp đo tiếp xúc:

* Ưu điểm:

Phương pháp nảy có thể thực hiện đo kích thước tế vị ở những vi trí khó đo, bể

mặt trong mả không có phương pháp nào khác đo được

Thich hop cho viée do các sản phẫm có hề mặt phản xạ không tốt, hoặc các

sản phẩm không yêu cầu cấp độ nham cao (thich hợp cho cấp 3 đến cấp 9)

* Nhược didm:

Với kết cầu đầu do như trên khi đo không tránh khỏi các sai số đo Quỹ tích điểm tâm của các vòng trên sẽ là bể mặt tạ nhận được trên dụng cụ đo và ta thường, cổng nhận đây là proBle nhập nhỏ

Sai số đo là sai lệch giữa profile thực tế và profile đo, sai lệch mày phụ thuộc vào khả năng tiếp xúc của mũi kữm với mặt chỉ tiết Bán kinh của mũi kim cảng bé

thi su sai kháe nảy cảng ít

Sai số đo xây ra khi 1 < 2r Vì vậy người ta quy định bản kính r của kim là nhỗ

din theo chi tiêu độ nhằm Ra

Tổi với phương pháp này cần điều chỉnh áp lực đo phủ hợp với module đàn

hôi của vật liêu (tránh biên dạng bé mặt chỉ tiết)

“Quỹ tích tâm đầu đo

1.2.1.3 Các phương pháp đo độ nhám then nguyên tắc đu

Dưới đây sẽ giới thiệu về nguyên tắc, phạm vĩ ứng dụng, và ưu nhược điểm

của một số loại dụng cụ đo:

a Profilomet kiểu thuần cơ khí:

Hình 1.6 Nguyên lý do của Profllomet kiêu thuận cơ khí

* Nguyên tắc:

Khi parone dich chuyên sẽ đưa đầu đo vuông gốc với vết gia công Dịch

chuyén kim do qua bộ khuyếch dại lỏ xo sẽ dược chỉ thị ở bảng chúa hoặc dúng chí thị quang, ghí đo theo phương pháp chụp ảnh

* h nhược điễm và pham vi teng dung:

Dừng phương pháp này có thể đo các bể mặt có độ nhám dén R, = 1,25 pm

hoặc Rz 634mm

b Prolilapafa kiểu căm ứng:

Vomnet 6 hoặc ghị dỗ thị ở bộ phận 7 hay dùng dao động kỷ Lự ghỉ

* Uu nhược diễm va pham vì ứng đụng:

May đo độ nhằm này có độ nhạy cao Nhung nhược điểm lớn nhất là độ chính

xác không cao vi phải qua bộ phận khuyếch đại tín hiệu, đầu kim đỏ hay bị mon

Dung dụng cụ này đo được độ nhám từ Rx = 5 + 0,04 pun

1.2.2 Các phương pháp do không tiếp xúc:

1.2.2.1 Nguyễn tắc chung của phương pháp:

Phương pháp không tiếp xúc là phương pháp do không có sự tiếp xúc cơ khí giữa yêu tố đo và yếu tổ cám, giữa chúng không tốn tại bắt kỳ một áp lực iếp xúc

Kết quả đo nhận được có lần rất nhiều gai số khác nhau như: độ ban bé mal do,

Tàu sắc của bể mặt, tính chất vật liệu

1.2.2.3 Các phương pháp đo độ nhám theo nguyên tắc đo không tiếp xúc:

Dưới đây sẽ giới thiệu về nguyên tắc, phạm vĩ ứng đụng, và ru nhược điểm của một số loại dụng cụ đo tuân theo nguyên tắc đo không tiếp xúc:

Dùng một đãi sáng song song mông chiều vuông góc với wae val gia cong dé

quan sát dộ nhấp nhỏ thay cho mặt cắt cơ khi chỉnh là nguyễn tắc của phương pháp

tac mal cat anki sang

Trên thực tế người tá thiết kế cho 2 ống kinh tạo với nhan một góc 90° va quang trục của chủng tạo với mặt phẳng ngang một góc 45°

* Ul nhược điểm và phạm vỉ ứng dụng:

Ta nguyên tắc do dựa trên tính phân xa của các mắt có độ cao khác nhau thì

vệt sáng gãy khúc sẽ rõ nét Nếu sự khác nhau vẻ độ cao của các mặt LI quả bé ánh

của các vệt sáng sé bi loa, sai sé lan Bai vay phương pháp này chủ yên đừng dé đo

các mặt cỏ độ nhóm R„ = 20 + 0,32 kưn Nếu đo ở các trị số giới hạn thì sai số sẽ lớn

(209

Dũng vật kính có f= 16,5: ¿ = 0,57 có thể đo tới Rạ = 2 kưn nghĩa là lớn hơn V9, song sai số phạm phải tới 40 : 50%, Nếu R„ 5 mm thì sai số 15 : 20% và nêu R¿= 15 ¿am thi sai số phạm phải là 109,

ảnh khe sái

c nét nhất khí œ — 90° nhưng tia phan xạ không đi vào kinh

quan sát được ánh khe sảng cảng lớn gợn sóng cảng lớn khi œ cảng nhỏ, nhưng, sai

số đo sẽ lớn đo ảnh hưởng cuả gợn sóng bị mờ

Phương pháp nay chi ding dé đo các bê mặt có hệ số phân xạ cao và dùng đo với các bê mặt mỗng để vỡ, dễ biến dạng mà phương pháp đo tiếp xúc không thục hiện được

b Phương pháp giao thoa:

a - Độ cong của nhấp nhô trên vân

1ình 1.9a Nguyên lý đừng bản

Hình 1.9b Minh hoa vân giao thoa mông hình nêm

* Nguyên tắc:

Dựa trên nguyên lắc giao thoa qua bản mông hình nêm Các vân giao Hoa là

quï tích của những điểm giao thoa có củng độ dày nềm Như vậy mỗi van có thể đặc

trưng cho độ dày nêm ở điểm tương ứng hai vân cùng tên lần cận sẽ ứng với các điểm có độ chệch nhau 2⁄2

Tại C¡ và C có 2 vân củng tên tị - tz = 2/2 Néu thay bản II bằng mặt kiếm tra của chủ tiết thả hệ vận giao thoa hiển lên sẽ là các vân nhấp nhô, dó là ảnh của bể mặt chỉ tiết nhắp nhỏ

Dũng thị kính panme ta có thể xác định được độ cao của nhấp nhà a và khoảng

Tình 1.10 Nguyên lý Äo của đụng cụ

ảnh sáng đi từ nguồn dơn sắc 1 hoặc nguồn sáng trắng 3 qua tụ quang 2 tới lăng kinh xế đôi có tráng lên mặt tiếp xúc một lớp rna (lớp phú bản thấu)

Tai đây các chim sáng bị tách đôi: một phần tới mặt phản xạ trên mẫu 12 rồi

phần xạ trổ lại qua 10, 11, 13 đến 14, một phần chùm sang phan xạ lên mặt kiểm tra

số 9, chùm phản xạ trở lại qua 8, 10, qua 13 đến 1⁄4 Trên mặt 14 ảnh của bai mặt

phân xã số 9 và số 12 tao với nhau một nêm quang hoc (la hoi quay 12 di mdt chi)

Sự giao thơa của hai phản chủm sáng, bị tách ra bạn đầu được thục hiện trên màn 14

Ta có thế quan sát ảnh giao thoa và xác định các khoảng cách a và b nhờ thị kính panme bolic dé giao thoa trên màn 16 và chứp ảnh qua kinh mờ Chú ý rắng sự giao

thoa ra khi chiêu đầy nêm tương đối nhd (Rz < Jum)

Khi sử dụng ánh sáng trắng chỉ quan sải được 6, 7 vận giao thoa, còn bên ngoài là vùng loá, ứng với chiều dày ném:

a

tg 5 6=03.6-1.8um

tực sử D,3.7=2,1um

* ăn nhược điễm và phạm vì ứng dụng:

Khi sử dụng ánh sảng trắng phương, pháp giao thoa chí dùng do độ bóng, cấp

cao Rz 1,6: 0,05 pm sai số do nhỏ hơn hoặc bằng + 5% Muốn quan sắt rõ nét và

khắp trưởng qua sát cần phải sử dụng ảnh sáng don sắc Ngoài ra phương phép nảy cên có sai số do bước sóng không đông nhất

e Phương phán đo độ nhám bằng khí nên:

Tầu đo khi nén

Hình 1.11 Sơ đồ ảo bằng khí nén

* Nguyên tắc:

Dựa vào hiện tượng khi cha một lượng khi chảy qua một bề mặt, néu trên bẻ

mặt đó có những nhấp nhỏ thí nó sẽ gây cho chất khí chấy qua nó những căn trở

nhất định Nếu độ nhập nhô cảng lớn thì sự cản trở này cảng lớn Thông qua lượng, khi chây qua mặt kiếm tra ta cỏ thể biết được độ nhập nhô của bẻ mặt

* Uu nhược diễm va pham vi teny dung:

St dung đơn giãn, thuận lợi cho việc kiểm tra độ nhằm chỉ tiết thông qua mẫu

chi do duge dé nham tr Ra = 10+ 0,32 jun

d, Phuong phap diện dung:

'Trong đó: S là điện tích bán cực, c 14 hing sé dién méi,

Ta chỉ xét C = f{đ), d là khoảng cách giữa hai bản cực Dộ nhập nhé của bé mat chi tiét sé lam thay đối khoảng cách tương đổi giữa hai ban cue 1 va 2, lam cho điện dụng của tụ thấy đôi

* Ủu nhược diễm và phạm vì ứng đụng:

10ễ sứ dụng, đơn giản, thích hợp cho việc đo so sánh nhưng độ chỉnh xác kém,

chi od thé do trong gidi han Ra = 10+ 0,32 pm

e Phương phap đo mật độ chùm phản xạ ánh sáng:

Pao độ nhám bề mặt bằng phương pháp phản xạ kẻ đựa trên sự phụ thuộc giữa

thông số của chùm phân xạ từ bê mặt và các tham số độ nhám bể mặt Phương pháp này chọn tiết diện kiểm tra chỉ tiết, trên từng vùng đẻ dánh giá chất lượng chung của

bẻ mặt nhâp nhỏ Đây là phương pháp gián tiếp, không tiếp xúc Nó có độ nhạy cao

và có ưu điển lớn đối với việc đo độ nhắm cấp chính xác củo so vúi các phương pháp do thông thường khác Vị dụ: Bễ mặt có độ nhẫn cao, kho bién dang Do dé nhám theo phương pháp này là đơn giãn, có kết quả nhanh, để tự động hoá

Cơ sỡ do dộ riưềm theo phương pháp phần xạ là lý thuyết tán xạ của sóng diện

từ phát tử bê mặt đo khi chiểu một chủm sóng điện từ tới bể mặt đỏ Cơ sở lý thuyết

của nó đã được nghiên cúu tương, đối đây đủ va chuyén sau theo hai phương pháp

đựa vào lý thuyết Kupxo¿a[74] và lý thuyết Bozmyøuu[75]

Theo phương pháp thứ 1 người ta giả thiết răng sự phản xạ của sóng ảnh sáng

phát ra lừ bê mặt của mỗi điểm tiếp luyến với bẻ mặt tại điểm đó GHả thiết này chỉ đúng khi bản kinh cong nhấp nhô trên bê mặt tương đối lớn hon so với độ dải bước

sóng ánh sáng Phương pháp 1 được áp đụng với những bẻ mặt có những nhập nhô

bé mal được tạo ra bởi các điện tích phẳng rất nhỏ Trong trường hợp chiều cao nhấp nhỏ thay đổi trong một khoáng cách nhỏ so với bước sóng ánh sảng thì chúng,

ta Không sử đựng được phương pháp 1, lúc đó người ta đừng phương pháp 2

được Góc mỡ các nửấp nhỏ như vậy được xem 1, thoai thoai Nhu vay hink ding

hình học của các bé mặt này hoàn toản phủ hợp với phương pháp 1 Dỗi với bể mặt

eó bán kinh cong, tại chỗ lãm bị Ví đụ: thuỷ tỉnh sau khi mải thì giả thiệt 1 không,

còn đúng nữa Tuy nhiên với các nghiên cứu thực nghiệm chi ra rằng nêu bỏ qua sự

nhiều xạ ở nơi cỏ bán kinh nhỏ như vay thi những tính toán của phương pháp 1 vẫn

đâm bão đúng đắn Khi giải bài toán của trường phân xạ người ta sử dựng ánh sảng,

tới là một sóng phẳng đơn sắc có biên độ đơn vị là Bị Trong trường hợp bẻ mặt được coi là phẳng lý tưởng thì sóng phán xạ trên bề mặt đỏ sẽ có biên độ Ha, và Hạ

là biển độ của trường phan xa 6 bé mat nham

Qua các công trình nghiên cứu A.A Ky trư dã nêu ra:

'Trong đó: K = 232; Øì - góc tới, ơ - thông số đặc trưng cho độ nhám

'Tử công thức trên ta có:

> ~ hệ số phân xạ tương đổi hiện dụng Ta thấy rằng khi tăng góc (1.8)

tới, người ta côn sử dụng đại lượng Tạp là cường độ trìng bình của trường phản xã

Trong đó E¿ˆ là thành phân liên hợp của Ea

Thành phần cường dé tan xa la:

Trong đó: A6: - sai lệch góc nghiếng, mm - sai lệch bình phương trung bình của sóc nghiêng nhỏ

Cả hai phương pháp đều xác lập được mỗi quan hệ nhâm bề mặt R; với bước

sóng chủm sóng tới, và góe tới của chùm sáng lên bể mặt đó cững như các đặc lính

khảo của bẻ mặt vật thẻ nlưư hệ số hap thụ, chiết suất, độ từ thẩm, hằng sỏ điện môi

Theo A.A Ky trin thi hệ số phản xa tuyệt dối (bể mặt có R„ — 0) trong trường hợp chiếu chùm tới vuông góc với bế rnặt, được xác định bằng biểu thức sau:

Chiết suất xác định theo công thức:

Thương pháp này xây dụng trên cơ sở xác định mật độ hay quang năng của

chim phẩm xạ ảnh sảng trên bể mặt cần tiết khi châm tới không đối thì chùm phần

xa thay đối tuy thuộc vào đặc tính nhảm bẻ mặt Khi Rạ + 0 ngoai chủm phân xạ

còn có các tia tán xạ (heo các góc tán xạ 0¡ khác nhau và theo các hưởng khác nhau TDộ nhám tăng lên thí quang năng chum phản xạ giảm đi và quang năng chùm tán xạ tăng lên Như vậy mật độ năng hương chim phân xạ cũng như chủm tán xạ có liên quan trực liếp tới dộ nhắn bé ml 1 luận này đã hình thành theo hai hướng khác

nhau:

- Do dé nhám thông qua đo hệ số phản xa cia bé mat nham Re,

- Bo dé nham théng qua do hệ số tán xạ của bệ mặt nham Re

Hệ số phan xa Rp la ty lệ giữa lượng quang thông phản xa (ip) va hong

quang thang téi (1):

Từ cơ số lý thuyết chất chế nhuy vậy đã có nhiều dụng cụ đồ theo phương pháp

này ra dời và dược ứng dụng từ những năm 80 Luy nhiên các phương tiện, ÌmÍi

kiện điện tử, và kỹ thuật chưa đây đủ như hiện nay nên kết câu, hình đáng chưa nhỏ

gen và phủ hợp.

1 Kinh hiển vi lực nguyên tử theo nguyên lý Fresnel:

3 May tính và điều khiển ngược

4 Bin dịch chuyển ấp điện

Hình 1.13 Nguyên lý của phương pháp

* Nguyễn tắc:

Khi hai nại

khoảng cách quá gần sẽ sinh ra một lực dây nhau Dựa trên nguyên lý này người ta

mũi đỏ nguyên tử này

* u nhược diém của phương pháp:

Dụng cụ có câu tạo nhỏ, gọn, độ chính xác cao

Mội số kết quả đo khi đẳng phương pháp này

20

Thông tín về bề mặt nhận được khi sử đụng sự lương phản cửa mẫu đốm sáng trong trường hợp thứ nhật gần mặt phẳng ánh và thử 2 gân nhiễu xạ hoặc khói mặt

phẳng tiêu Mẫn đêm sáng nhiều màu sắc cũng có thé được sử dụng như là sự liền

quan tinh chất của hai mẫu đốm sáng Phương pháp này đănh giá được sự thay đối của độ nhám bề mặt từ 0,01 : 25 wm

"rong d6: F — f.l+m), f -tiéucy cua thau kinh, m - hé sé khuyéch đại

1.2.3 Phương pháp đánh giá bé mat bang ảnh toàn ký laser (holography):

ảnh toàn ký laser (holograply) là kỹ thuật tạo ảnh bằng cách ghỉ c;

vân giao

thoa điện tử của một vật lên phim (ảnh toản ký) và sau đó tái tạo lại ánh quang bing

cách chiếu ánh sảng laser lên ảnh toàn kỹ (hologram) Trong quá trinh này, mặt

sóng điện tử được chuyển thành mặt sóng quang Một đối tượng rất nhỏ được kính hiển vi phóng đại lên rất lớn bằng cach dung tin hiệu điện tử có bước sóng cực ngắn và tái tạo lại hình ânh quang Từ khi thiết bị kinh hiến vi điện tử ra đời đã có rất nhiều ứng dụng quan trọng trong nhiều lình vực

1.2.3.1 Nguyên lý của ảnh toàn ký laser:

ảnh toàn ký laser là kỹ tluật lạo ảnh duy nhất không dùng thấu kính mà dựa trên những tính chất cơ bản nhất của sóng là giao thoa và nhiễu xạ Do đó holography có thể dòng được mọi loại sóng, ảnh sáng, tia X, âm thanh, điện tứ hoặc

nơtron mà không cần quan tâm đến có sử dụng thâu kinh lỗi các loại sóng đó không

Đặc trưng chính của ảnh toàn ký laser dỏ la sóng phức (tức lá có biển dộ lá số phức)

có thẻ tải tạo lại từ một phim được phơi sảng (phim nay goi 14 hologram - một ảnh

chứa tất cã các thông tin về biến độ và pha) Vì lý đo này, ảnh toàn ký laser có thế

để dàng tạo thành ánh 3 chiều hơn bất kỳ một kỹ thuật nào khác

Tước 1 của ãnh toàn ký laser là ghỉ ảnh giao thea (hay đồ thị holagram) giữa clrủm song tham kháo gr va song tin xa 0o dơ đổi tượng, gây ra ở đây, ÿs và 0z biểu thị biên độ phúc cúa các sóng J0o hai sóng này là sóng ring phát tử một nguồn

chung, chủng chồng chất một cách kết hop với nhau trên mặt phẳng holegram để

giao thoa với nhau Cường độ I của ảnh giao thoa dược tính theo công thức

Khi ảnh giao thoa duoc phe sang trên Ñlm và liệu ảnh, lệ số truyền liêu dé 1

của film được cho bởi:

t=

ở đây v biếu thị hệ số tương phân của film Nếu film đâo ngược và độ tương,

phần ngược thành y = -2, thi t tý lệ thuận với L

23

Bước 2 c¡

ảnh toàn ký laser được chiêu cừng bước sỏng tham khảo như lúc đầu tạo ánh

sev Ja tai lao Tai anh ofa val ban dau Đề đơn giản,

hologram Biên độ truyền T sẽ được tính:

7 =lg, 1ó, `4, =(@|ˆ + l#,Ƒ 4, Láy|d,Ê 1 đ;#2 (1.26)

Các tinh chất ảnh của ảnh toản ký laser có thể được hiểu một cách đơn giãn

‘bang cách các số hạng trong công thức Số hạng thử nhất tương đương với bước sóng truyền qua, và thứ hại tương đương với sóng tán xe từ đối Lượng Điều nảy có nghữa là ảnh chính xác có thể tái tạo lại nếu như số hạng thứ hai cỏ thể được quan sát độc lập với các số hạng khác Số hạng thứ ba tương tự với số hạng thứ hai nhưng

có tin hiệu nghịch pha Số lạng này biểu tú một bức ảnh liên hợp mà biên dộ của

ảnh là số phức liên hợp của ảnh được tái tạo lại

Đình dang ảnh về cơ bân là giống nhau, thậm chí khi ảnh giáo thoa được chiếu sảng bởi một sóng, oó bước sóng khác với sóng tham khảo ban dầu Các thông số

như độ phóng đại ảnh vả khoáng cách giữa ánh toán ký và ánh phụ thuộc vảo tý lệ giữa hai bước sóng Cuối cùng, định đựng ảnh toàn ký như đã hoàn thành, nhưng

trong trưởng hợp giới hạn cao nhất phải suy xét Quang sai kết hợp với ánh dang này cũng giống như ánh sử đụng hệ quang,

1.2.3.2 ảnh toàn kỷ đồng trục:

Dạng ảnh toàn kỷ đơn gián nhất thể hiện trên hình 2.1 với một điểm vật được

chiếu lên mặt phẳng sóng Sóng phẳng được truyền ở đây có vai trỏ là hàm sóng

anh loan ký như thể được gọi là giao thoa đẳng tục, bởi sóng tới và sóng lần

xa đều nằm trên một đường thẳng Biên độ của hai sóng được miều tả theo công,

thức

q23

“trong đỏ £ - biển độ tán xạ từ vật điểm Phân bố mật độ sảng !Óc, y) trên mặt

phẳng toàn ký ở khoảng cách Ì từ đối tượng được tính theo công thức:

Nếu PP >> x? + vŸ thí r = (P + x2 +y?}!? «1+ @xẼ — y2 V1)

ha biik, ‘Kita glen ti Aomads age

Hình 1.17, ảnh toàn ký điện tử đồng trục của mét diém vật: (a) Định nghĩa

ảnh giao thoa, (b) Tái tạo lại ảnh ảnh giao thoa cho bởi sông thức (1.33) bao gồm những vòng đồng lâm và

được gợi là vùng đĩa

Nếu ảnh toàn ký được ghỉ trên phim với độ Lương phãn y -2, sau đỏ được

chiều qua mặt phẳng sóng, giồng với sóng tới thi kết quá biên dé truyền qua T(x,y)

được tỉnh theo công thúc:

Số hạng thứ 1 và thứ 2 biểu thị sóng phẳng truyền qua, số lưng thứ 3 biểu thị cho sóng ban đầu tán xạ từ đổi tượng điểm, và như vậy tạo thành sóng cầu chế ra từ

điểm O Số hạng thứ 4 biếu thị sóng cảu hội tụ tại điểm O' nằm ả vị trí đối xứng,

gương voi diém O qua man, s6 hạng này mô tả änh kết hợp

Tôm lại, ảnh toàn ký của mội điểm vật mà ảnh điểm có dạng vùng đĩa đồng vai trò kép vừa là thấu kính hội tụ, vừa là thầu kinh phân kỷ với củng một tiêu cự Ì

Chiều sang ảnh toàn ký bằng một sóng phắng sẽ tạo ra sóng cầu vừa là hội tụ, vừa là

phân kỳ

Bay giờ, chúng ta có thể thão luận độ phan giải của hình ảnh được tái tạo lại

ảnh toàn ký đồng trục hoạt động giống như thâu kính điểm anh được tạo thành bởi giao thoa của IẮt cả các sống tản xạ từ các vẫn giao [họa của vừng đĩa Do đó, độ

phân giải của ánh được xác định clrú yêu qua đường kinh của vùng đĩa tương đương, với đường kinh của khâu độ thấu kinh, tức là:

4

Gia tri d nay bằng khoảng cách van ngắn nhất tai van ngoài cùng của vùng đĩa Một cách tổng quát, thì không thế chỉ quan sát ảnh được tái tạo lại: ảnh được Tiội lụ lại của ảnh kết hợp rõ rảng là chòng chất lên rau KẾT quả này từ sụ thực là

2 ảnh nằm trên cùng một trục Vấn để tách ảnh sinh đôi là trở ngại lớn đối với

phương pháp này Và giải pháp lá đưa ra phương pháp lệch Hục Trong phần nói ở đưới dây, sóng gốc dã dược làm lệch sơ với sóng đối tượng

Mặc dủ phương pháp toàn ký lệch trục có thế giải quyết van để về ảnh kết

hợp Những cổ gắng tiếp heo người ta đã cải tiên hình ảnh của phương phép đẳng

trục khỏi bị lệch Hiệu quả nhất trong các phương pháp nảy là phương pháp toàn ký

động trục lraunhofer ở đây, toán kỷ đồng trục được hình thánh trên bẻ mặt tán xạ

Trauihoftr của đổi Lượng, trong điều kiện

Trong đó a - kích thước vật

26

Xây dựng lại ảnh Me giasthaa «= ANH KET HOP

Hình 1.18 Hình ảnh tái tạo không bị cân trở bởi ảnh kết hợp, các kích thước

được giám trong quá trình hình thành ảnh toàn ky Dưới điều kiện này, thí hình ảnh tải tạo kép không có ảnh hưởng lẫn tửzm

Nếu một trong, hai hình ảnh kép mà quan sát thấy thì hình ảnh kia sẽ bị mở khỏi mặt

phẳng

Các tính toàn don giản đã chỉ ra rằng ở gần vùng của hủnh tái tạo, cường: độ của hình ảnh bị mờ là một giả trị không dỗi nhỏ

1.2.3.3 ảnh toàn ký lệch trực:

ảnh lệch trục được tạo bởi sóng tới và sóng đối tượng truyền theo các hướng

khác nhau Nếu sóng tới ta xem như lệch khỏi mặt phẳng sóng và mô tả bằng $, =

øxp[ik(z - œy)] thi cường dộ l trên mặt phẳng ánh toàn ký tỉnh theo cỏng thức:

Hinh 1.19, Phwong phap ảnh toàn lọ lệch trục của dối negng diém

"Irong khi phương pháp đồng trục vùng đĩa bao gồm các vành trên đồng tâm

thì phương pháp lệch trục vùng đĩa cách tâm của lệch tâm một khoảng xác định và

độ đậm nhạt theo dạng hình sim được điêu chĩnh đôi chút tuy theo đối tượng

Nếu mặt phẳng sóng bị nghiêng đi explik(y - ay)| được chiếu sáng bởi ảnh

toàn ký lệch trục biểu thị bằng biểu thức (1.32) thì đối tượng bạn đầu sẽ được tái Lao

lại Hướng truyền của hình ảnh kết hợp sẽ bị nghiêng góc 2œ so với hướng của hình

ảnh tái tạo lại (hình 1.18) Kết quả là hình đứp sẽ được tách ra một phẩn và só thể

quan sát một cach độc lập không bị biển dạng Nguyễn tắc tạo hình của phương, pháp toản ký lệch trục cũng giỏng như phương pháp toàn ký đồng trục,

1.2.3.4 ảnh toàn ký sử dụng 2 sóng khác nhau:

"Lử đầu đến giờ ta mới xem xét trưởng hợp dùng củng một loại sỏng đề xây

đựng ảnh toàn ký và tái tạo hình ảnh Tuy nhiên phương pháp ảnh toàn ký khẳng

chi bi bỏ hẹp trong trường hợp này má còn đúng với sóng tuỳ ý Để có một ví đụ đơn giản thỉ ta xem đĩa vùng (1.32) được phóng dại lên m lần và được chiếu bởi

28

Khi ảnh giao thoa được chiếu béi séng e6 sé k" thi bién độ truyền qua trên đĩa

tại khoảng cách †' từ màn ảnh giao thea tính theo công thức

khoảng cách giữa hai điểm tải tạo

PO phòng dai song theo chiều đọc và chiều ngang bằng nhau khi cỏ dieu kién

sau

Như vậy bê mặt của sóng tái tạo sẽ bị lệch đi bởi tỷ lệ 2 /A

Tử trước đến đây các thảo hiận đơn giân mô tâ giữa hai sóng tuỷ ý khi chiều

dai bước sóng vả tính chất khác nhau Điều này là có thể được bởi phương pháp ảnh

toàn ký chỉ sử dựng tinh chất cơ bản giao thoa và tán xạ, mã đó là hai tính chat

chung cho tal cA moi sory

29

Chương TL

Nghiên cứu vỀ ánh tuàn ký điện tử

2.1 Tạn ảnh toàn ký điện tử:

Phép ghi ảnh toản ký điện tử bao gồm hai bước: thứ nhát là tạo ảnh toàn ky

điện tử và tải tạo lại bình ảnh ở bước thứ nhất thì ảnh toàn ký điện tử bị lệch trục

được tạo ra trong kinh hiển vì ghủ ảnh toàn ký điện từ, mà chủ yếu là hiển vì điện lử

truyền qua [1] có sảng điện tử phát xạ điện tích vùng và lăng kính điện tử kép [2]

2.1.1 Biểu đồ tia:

Phương pháp dic wung dé tao ra hình ảnh lệch trục được mô lä trên hình 2.1

'Tia điện tử phóng, ra từ đầu phát xạ trưởng, được gia tốc và sau đỏ được chuẩn trực

để chiều sáng vật qua một hệ thâu kính hội tà Chiếu sáng chuẩn trực là cần thiết lạo

ra góc chiếu dủ nhỏ dễ cho chiêu dài không gian kết hợp phủ kin dược đổi tượng và

cả tia chuẩn Vị dụ nếu chúng ta dùng một tia điện tử 200 KeV (bước sóng 2,5 pm)

để quan sát một vững đối tượng có kích thước 5 pum thì chiêu đải không gian kết hyp can phải lớn hơn 10 ưn và góc chiều sáng cần phải nhỏ hơn 2,5 10 “7 rad

Trong kỹ thuật này, đối tuợng được đội Hong nửa mặt phẳng đổi tượng và

được chiếu sáng, bởi chủm tỉa diện tử chuẩn trực ảnh của đối tượng dược phỏng dai

(xm lần) nhờ hệ vật kính Khi mả eưe đương được đặt vào sợi đốt trưng tâm của

Sing dién tử phát

zạ diện tích yùng

'Thấu kính trung giarL

'Thấu kính chiết

Tlinh 2.1 Biéu dé tia tao mat ảnh giao thoa điện từ

Độ phone dai eda mau duge tinh bing tich m, x mz va d6 phéng dai cita anh giao thoa lãng kinh kép lá ma Khi rnả ánh toán ký được ghi lên phim của kinh hiển

vi diện tử, khoảng cách giữa các vân trong ảnh thường từ 50 + 200 pm; Dãn rộng

khoảng cách đặc biệt căn thiết khi phân bổ pha cần dược xây dựng lại chính xác

bằng kỹ thuật khuyếch đại pha, bởi vì một địch pha nhỏ được ghỉ lại nhu mat sai

lệch nhỗ của khoảng cách giữa các vẫn song song, Giảm khoảng cach van & trong

mặt phẳng vật được biểu diễn qua tý số db/mi (dp la khoảng cách vận của lăng kinh

kép) Giá trị này quan trọng ở chỗ là độ phân giải của hình ảnh tai tao lai x4p xi

3dumi

Các giá tri mi và mạ phải được hiệu chỉnh đề tạo ảnh giao thoa ở điều kiện tốt nhất Tuy nhiên, khoảng cách vân dụ được xác định không chỉ bằng mị mà còn bởi điện thể đặt vào lăng kính kép, điện thể này cơ bản xác định chiều rộng của ảnh gino thoa lãng kinh kép Nếu như các điều kiện cân không thoả mãn thí hệ quang, điện tử cần phải thay đối Ví dụ bằng cách dĩ chuyên lăng kính điện tử kép xuống vĩ trí thấp hơn thấu kinh trung gian dầu tiên

2.1.2 Thiét bị thi nghiệm:

Kính biển vị điện Lử tạo ãnh toàn kỷ 200 KV được vẽ trong hình 22 chủ yếu là

kinh hiển vi diện tử truyền qua phat xa vimg HF 2000, được cái biến một chút dé lăng kính điện tử kép có thể đặt ở đưới thấu kính trung gian cũng như ở đưới vật

cing sino Va sal, Ciện từ kép J-Thấu kính trang giàn

Thái kính chức

Tình 3.2 Sa đồ mặt cắt ngang của kính lmễn ví điện tử tạo ảnh toàn kp

Le BS

a Suing dién tt va hệ thẳng chiếu sáng:

Cáo điện tử được phát xạ từ mũi bằng Vonfram có định hưởng <311> ở nhiệt

độ phòng có điện áp đặt tử 3 + 6 kV (giữa mũi và anốt đầu tiên ngay ở phía dưới

mui) ap suật xưng quanh mi giữ ở khoảng 108 Pa dé cho đèng phát xạ điện tử cũ

10 HA hoạt động liên tục trong nhiều giờ

Chí có một lượng nhỏ các điện tứ (1% hoặc nhỏ hơn) đi qua anôt đầu tiên vả sau đỏ chúng được gia tốc băng điện cực tiếp theo ông gia tốc là rất cân thiết dé lâm cho dẫu phát trong sting cao áp có được tuổi tho cao béi vi sy phóng diện rất

lén của điện áp cao thông thường phá huỷ đâu Sứng 200 kV (LIF 2000) có 7 nắc

trong khi đó loại sửng 350 kV có 10 nac

Cúc diện tử dược hội tạ rất mạnh qua hoạt động hệ thống thấu kinh khi chimg

đi qua khe hỗ (khẩu độ) anốt thứ nhất Ilnh đạng của điện cục được thiết kế để

giảm quang sai cầu và sắc sai khi thấu kính điện Lữ gia tốc tĩnh Khi tia được tụ lại qua hệ thống hội tụ đến mẫu nghiên cứu thì đường kính của vét hỏi tụ thông thường,

nhỏ cỡ 20 nm Khẻng được bẻ qua sai lệch của kích thước vết Cường độ chiêu

sang minh liệt oũa ta điện tử phát xạ trường luôn bì suy giảm do san lệch của thấu

kinh gia tốc Độ sảng còn bi anh hướng bởi các thấu kinh hội tụ Để cö được anh

toàn ký, chừm tia điện tử được chuẩn trực bằng hệ thông thâu kính hội tụ để chiếu

lên vật Lăng kính điện tử kép địmg dễ làm cho tia chiếu vật và tứa chuận giao thoa

với nhau

b Giao thaa kế điện tử:

Thông thường lăng kinh diện tứ kép dược bố trí ở dưới vật kính Có hai loại

thiết bị lãng kinh kép trình bảy trên hình 2.3, Lăng kinh kép bao gồm một sợi day

mảnh đặt ở giữa và hai điện cực dang tâm song song ở hai phía Một điện thé thay

đổi tử - 300 + 300 V được đặt vào dây rảnh ở giữa nhờ lỏ xo chỉ từ phía ngoài của

kính hiến vi điện tử Độ én định cửa điện thể cân phải giữ ỏ khoảng 105/phút Và

thông thường các pin khô được dùng cho mục đích mày Sợi trung tâm cần phải có

đường kính nhỏ hơn 1 uum dé cho bóng của nó không ảnh hưởng lớn đến chiéu dai

kết hợp không gian rất nhô của chìm tia điện tứ Khi chế tạo sợi đó đường kính làm

1lình 2.3 a,b Lăng kính điện tỉ kép: (a) Chuyẩn đối dịch chuyên lăng kinh

kép, (bì chuyển đỗi địch chuyến và quay lăng kính kép Giống như khẩu độ của vật kính, lặng kính kép di chuyển trong bề mặt vuông,

góc với hướng chuyển động của chừm tia điện tử Tuy nhiên với lăng kinh kép như

tỉnh 2.3a thủ hướng của sợi đôi không quay được Thông thường không có van đề

khú vật có thể quay, nhưng khi vật không quay được (như ở giai doan nhuệt độ thấp)

thì um thé ở chỗ là quay được lăng kính kép Một ví dụ về lăng kính như vậy được

vẽ trên hình 2.3b Trong trường hợp này loàn hộ giá của lăng kinh kép có thể quay

góc + 90” ảnh giao thoa giữa sóng vật và sóng chuẩn được tạo thành nhờ làng kinh

điện tử kép sẽ được phóng đại lên bằng các thấu kính trượt gian vá thâu kinh

phóng, và dược ghi lại như ánh toàn ký trên phim hoặc băng video

e Hệ thông ghỉ: