Nghiên cứu xây dựng cơ sở thiết kế thiết bị đo các thông số hình học của các chi tiết dạng thanh bằng phương pháp chụp ảnh vết chiếu laser

Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý của thiết bị đo khoảng cách dựa vào độ trễ pha CHƯƠNG 1: MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐO TỌA ĐỘ KHÔNG TIẾP XÚC SỬ DỤNG TIA LASER Do có nhiều ưu điểm nổi trội của nguồn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

HÀ NỘI 2009

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

*****

ĐINH THẾ THÌN

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CƠ SỞ THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO CÁC THÔNG SỐ HÌNH HỌC CỦA CHI TIẾT DẠNG THANH BẰNG

PHƯƠNG PHÁP CHỤP ẢNH VẾT CHIẾU LASER

CHUYÊN NGÀNH: CƠ KHÍ CHÍNH XÁC & QUANG HỌC

LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH: CÔNG NGHỆ CƠ KHÍ

Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Văn Vinh

HÀ NỘI 2009

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 5

CHƯƠNG 1: MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐO TỌA ĐỘ KHÔNG TIẾP XÚC SỬ DỤNG TIA LASER 7

1.1 Phương pháp đo khoảng cách kết hợp với góc quay 7

1.2 Phương pháp thu ảnh của điểm chiếu 9

1.3 Phương pháp thu ảnh vết chiếu laser 11

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THU ẢNH VẾT CHIẾU LASER 16

2.1 Cách tạo vết sáng trên bề mặt vật thể 16

2.1.1 Các đặc tính cần thiết của vết sáng 16

2.1.2 Các đặc tính cơ bản của chùm tia laser 16

2.1.3 Tạo nguồn sáng dạng đường từ nguồn sáng dạng điểm 17

2.1.4 Tính toán thấu kính trụ 19

2.1.5 Tạo vết chiếu laser với bề rộng ngang ít thay đổi 22

2.2 Góc chiếu laser và góc chụp ảnh 23

2.2.1 Góc chiếu laser 24

2.2.2 Góc chụp ảnh 27

2.3 Lựa chọn thiết bị thu ảnh vết sáng 29

2.3.1 Một số loại cảm biến quang 29

2.3.2 Độ phân giải camera và độ phân giải ảnh 32

2.3.3 Một số tiêu chí khác 33

2.4 Các thông số kỹ thuật liên quan đến chế độ chụp ảnh 33

2.4.1 Sự phơi sáng (Exposure) 34

2.4.2 Độ mở ống kính (Aperture) 34

2.4.3 Thời chụp hay tốc độ (Shutter Speed) 35

2.4.4 Độ nhạy sáng của cảm biến 36

2.4.5 Độ phơi sáng (Exposure Value - Ev) 36

2.4.6 Độ sâu của trường ảnh (Depth Of Field - DOF) 37

2.4.7 Lựa chọn thông số chế độ chụp ảnh vết sáng 38

2.5 Phân tích hình ảnh vết sáng 38

2.5.1 Tìm hiểu về hệ màu 38

2.5.2 Khoảng phân bố màu của vết sáng 42

2.6 Phân cấp nguồn laser và an toàn khi sử dụng 44

2.6.1 Tác động nguy hiểm do bức xạ laser 44

2.6.2 Phân cấp nguồn laser 45

2.6.3 Phân cấp theo hệ sửa đổi 45

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MỘT HỆ THỐNG THIẾT BỊ ĐO 48

3.1 Thông số kỹ thuật yêu cầu của thiết bị 48

3.2 Xây dựng mô hình hệ thống thiết bị 49

3.3 Thiết lập các hệ tọa độ 53

3.3.1 Các hệ tọa độ điểm ảnh 53

3.3.2 Hệ tọa độ chung 54

3.4 Lựa chọn thiết bị cho cụm đầu đo 55

3.4.1 Nguồn phát chùm laser dạng đường 56

3.4.2 Bộ phận thu ảnh 57

3.5 Phân tích hoạt động và yêu cầu thiết kế của các khối cơ bản 63

3.5.1 Bộ phận gá chi tiết đo 64

3.5.2 Bộ gá cụm đầu đo 65

3.5.3 Khối gá các cụm đầu đo 66

3.5.4 Hệ truyền động 66

3.5.5 Hệ khung chính của thiết bị 69

3.6 Nguyên lý điều khiển và thu thập dữ liệu 69

CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐO 71

4.1 Mô hình thực nghiệm 71

4.2 Tạo chùm sáng dạng đường từ chùm sáng tròn 73

4.3 Điều chỉnh các thông số chế độ chụp 74

4.4 Xác định ảnh vết sáng trong bức ảnh chụp 76

KẾT LUẬN 77

1 Kết quả đạt được 77

2 Hướng phát triển và ứng dụng 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

TÓM TẮT 80

LỜI NÓI ĐẦU

Trong các lĩnh vực sản xuất công nghiệp nói chung và trong lĩnh vực sản xuất cơ khí nói riêng, nhu cầu đo các thông số hình học của các chi tiết sản phẩm theo phương pháp đo không tiếp xúc rất lớn Phương pháp đo không tiếp xúc với nhiều ưu điểm cho phép thực hiện nhanh phép đo ngay trong quá trình gia công, đo chi tiết có nhiệt độ bề mặt cao hoặc các chi tiết có bề mặt mềm khó thực hiện đối với phương pháp đo tiếp xúc

Hiện nay trên thế giới một số hãng sản xuất thiết bị đo đã cho ra đời một

số thiết bị đo quét không tiếp xúc theo phương pháp chụp ảnh vết chiếu laser tạo nên trên bề mặt chi tiết Với xu hướng chủ yếu là đo kiểm thông số hình học của chi tiết dạng thanh phục vụ cho các quá trình gia công cơ khí hoặc trên dây chuyền đùn, cán với hiệu quả kinh tế và độ chính xác tương đối cao Cơ sở nguyên lý cũng như các yếu tố đảm bảo độ chính xác của phương pháp đo dựa vào ảnh chụp của vết quét bề mặt là một vấn đề khá mới mẻ ở Việt Nam

Xuất phát từ nhu cầu thực tế công việc thường xuyên cần đo kích thước hình học và tiết diện mặt cắt của các mẫu thử dạng thanh có mặt cắt hình chữ nhật và dạng tròn Đồng thời qua tìm hiểu thiết bị đo theo phương pháp này của một số hãng sản xuất trên thế giới về mặt đảm bảo độ chính xác và tính hiệu quả của phương pháp Được sự đồng ý của thầy giáo hướng dẫn Ts Nguyễn Văn Vinh – Bộ môn Cơ khí chính xác & Quang học, Tôi đã đi đến lựa chọn đề tài “Nghiên cứu phương pháp đo các thông số hình học của chi tiết dạng thanh bằng chụp ảnh vết chiếu laser”

Với quỹ thời gian tương đối hạn hẹp tìm hiểu về một lĩnh vực ứng dụng tương đối mới và nhiều hạn chế về mặt tài liệu nghiên cứu cũng như thực tế

về thiết bị Trong bản luận văn này Tôi đề cập chủ yếu đến cơ sở lý thuyết của phương pháp và đưa ra thiết kế điển hình của thiết bị dùng cho đo các chi tiết

dạng thanh hình mặt cắt hình chữ nhật và hình tròn Phần chế tạo thiết bị

không nằm trong nội dung đăng ký của tên đề tài nhưng trong quá trình xây dựng cơ sở lý thuyết của phương pháp và thiết kế hệ thống cho thiết bị đã cần đến lắp dựng một số bộ phận chính của thiết bị đo Nhờ vậy cơ sở lý thuyết tính toán và các yếu tố nâng cao độ chính xác của phương pháp đo đã được kiểm chứng

Tuy nhiên những vấn đề trình bày trong bản luận văn này còn có thể có nhiều hạn chế và sai sót Tôi mong rằng sẽ nhận được sự góp ý chân thành của các thầy cô và các bạn để giúp Tôi hoàn thiện hơn nữa về mặt thiết kế cho thiết bị cũng như cơ sở lý thuyết tính toán của phương pháp phục vụ cho công việc chế tạo thiết bị đo hoàn chỉnh sau này

Một lần nữa, Tôi xin chân thành cảm ơn tới thầy giáo hướng dẫn Ts Nguyễn Văn Vinh và các thầy giáo, cô giáo Bộ môn Cơ khí chính xác và Quang học – trường ĐHBK Hà Nội đã nhiệt tình giúp đỡ Tôi trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn này

Hà nội, tháng 9 năm 2009

Học viên

Đinh Thế Thìn

Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý của thiết bị đo khoảng cách dựa vào độ trễ pha

CHƯƠNG 1: MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐO TỌA ĐỘ KHÔNG TIẾP

XÚC SỬ DỤNG TIA LASER

Do có nhiều ưu điểm nổi trội của nguồn sáng kết hợp, tia laser được sử dụng nhiều trong các thiết bị đo có dùng đến chùm tia đo Khi thực hiện đo quét, đối tượng đo và đầu đo được đặt vào một hệ tọa độ nhất định Bằng cách chiếu chùm tia laser lên bề mặt vật thể cần đo và xác định tọa độ của các điểm chiếu, ta có thể xác định được biên dạng bề mặt và đo được các thông số kích thước hình học của vật thể Tọa độ của các điểm chiếu có thể được xác định theo nhiều phương pháp khác nhau Sau đây là một số phương pháp cơ bản để xác định tọa độ các điểm trên bề mặt vật thể khi được chiếu bằng chùm tia laser Mỗi phương pháp đều có ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng khác nhau

1.1 Phương pháp đo khoảng cách kết hợp với góc quay

Theo phương pháp này tọa độ của một điểm cần đo trên bề mặt vật thể được xác định thông qua khoảng cách từ đầu đo đến điểm đo và góc giữa chùm tia chiếu lên điểm đo với các trục tọa độ Để thay đổi vị trị quét của chùm tia laser trên bề mặt có thể thực hiện dịch chuyển góc đối với đầu đo hoặc đối với chi tiết Khoảng cách từ đầu đo đến điểm chiếu thường được xác định dựa vào độ trễ pha của chùm tia phản xạ thu được

Chùm tia đo sử dụng trong phương pháp đo này có thể là chùm tia laser hoặc chùm tia hồng ngoại Chùm tia hồng ngoại đảm bảo an toàn cho người

sử dụng, tuy nhiên khả năng phản xạ kém yêu cầu phải sử dụng gương hoặc tấm dán phản xạ ngay cả khi đo ở khoảng cách gần Trong khi đó ở khoảng cách tương đối xa lên đến vài trăm mét, sử dụng chùm tia cũng có thể thu được tín hiệu phản xạ từ bề mặt có hệ số phản xạ không yêu cầu cao Với những thiết bị sử dụng nguồn laser công suất lớn dùng cho mục đích đo khoảng cách xa, thiết bị thường phải có bộ phận lọc sáng nhằm giảm bớt cường độ của chùm laser phản xạ khi đo ở khoảng cách gần

Khi thực hiện phương pháp đo quét tự động theo phương pháp này, việc thay đổi vị trí của điểm đo trên bề mặt được thực hiện bởi dịch chuyển góc Như vậy khoảng cách gần nhất có thể giữa hai điểm đo liền kề trên bề mặt vật thể phụ thuộc vào độ phân giải của dịch chuyển góc Với những khoảng cách tương đối, độ phân giải của dịch chuyển góc ảnh hưởng rất lớn đến độ phân giải giữa các điểm đo Nếu gọi độ phân giải dịch chuyển góc là ∆φ (rad), thì

Hình 1.2: Đo quét tự động theo lưới tọa độ

với khoảng cách L(mm) từ đầu đo đến điểm chiếu, khoảng cách giữa hai điểm

đo liền kề sẽ là ∆x=L*∆φ (mm)

Nguyên lý này thường được ứng dụng khi đo quét với khoảng cách xa chẳng hạn thiết bị toàn đạc dùng trong trắc địa, quan trắc Hạn chế về khoảng cách xa nhất có thể đo được phụ thuộc vào công suất của nguồn laser và tính chất phản xạ của bề mặt cần đo Công suất cho phép của nguồn laser phụ thuộc vào các qui định về an toàn về con người và an toàn cháy nổ Hiện nay một số máy toàn đạc sử dụng tia laser có thể đo xa tới 8000m Khoảng cách gần bị hạn chế do khả năng xác định độ trễ pha với quãng đường truyền sáng ngắn Thường khoảng cách này có thể đạt được cỡ 50mm

Ngoài sai số hệ thống của các bộ phận đo góc và khoảng cách, khi đo ở khoảng cách xa còn mắc phải sai số do sự khúc xạ khi qua môi trường không khí của chùm tia đo cũng như tia nhìn của ống ngắm Sự mở rộng chùm tia khi truyền ở khoảng cách xa cũng ảnh hưởng đến sai số đo của thiết bị Hiện nay một số hãng sản xuất đã chế tạo được những thiết bị đo với sai số đo khoảng cách ±(1mm + 1ppmxL), sai số đo góc 1’’

1.2 Phương pháp thu ảnh của điểm chiếu

Phương pháp này sử dụng một hoặc hai bộ thu quang để thu ảnh của điểm chiếu của chùm laser trên bề mặt vật thể cần đo Dựa vào vị trí ảnh của điểm sáng trên bộ thu quang có thể xác định được tọa độ của điểm chiếu Người ta thường sử dụng bộ phận gương quay để hướng chùm tia laser quét trên bề mặt chi tiết cần đo

Xét sơ đồ nguyên lý của của một hệ đo tọa độ theo phương pháp thu ảnh điểm chiếu sử dụng một bộ thu quang như hình 1.3 Với hệ tọa độ OXY

có gốc tọa độ trùng với tâm của thấu kính

Theo phương pháp tam giác lượng dễ dàng xác định được tọa độ điểm chiếu trên vật như sau:

=

α

α

tg F P

F L Y

tg F P

P L X

.

Trong đó:

L : khoảng cách tâm chùm tia tới trên gương đến tâm thấu kính

P : tọa độ theo phương X của điểm sáng trên bộ thu quang CCD

F : tọa độ theo phương Y của điểm sáng trên bộ thu quang CCD

α : góc chiếu của chùm tia theo phương Y

Nhìn vào sơ đồ nguyên lý của phương pháp cần phân biệt rằng ảnh của điểm chiếu trên bộ thu quang (CCD) không phải là hình ảnh tạo nên do chùm tia laser phản xạ trên bề mặt vật đo đi vào hệ quang của bộ thu Hình ảnh

Nguồn Laser

Thấu kính CCD

chấm sáng trên bộ thu quang là ảnh thứ cấp do chùm tia laser tán xạ trên bề mặt chi tiết đo tạo nên và được bộ thu quang thu lại

Phương pháp đo này thường được ứng dụng trong các đầu đo tọa độ không tiếp sử dụng trong các máy đo tọa độ Vị trí đo trên vật thể được quan sát dựa vào điểm chiếu laser của đầu đo Máy đo tọa độ có gắn đầu đo không tiếp xúc sử dụng tia laser ngoài các ứng dụng đo điểm còn được dùng trong các ứng dụng quét để sao chép khuôn mẫu; quét số hóa biên dạng bề mặt để kiểm tra so sánh với thiết kế 3D

1.3 Phương pháp thu ảnh vết chiếu laser

Thiết bị đo theo phương pháp này sử dụng chùm tia laser để tạo vết chiếu sáng lên bề mặt vật đo sau đó dùng bộ thu quang để thu bức ảnh có chứa hình ảnh vết sáng Hình ảnh thuộc vết sáng được phân tích, xử lý dựa vào những đặc điểm khác biệt so với những điểm không thuộc vết sáng về cường độ sáng, màu sắc Căn cứ vào tỷ lệ tạo ảnh và vị trí các điểm ảnh dọc theo

Hình 1.4: Hình ảnh một đầu đo không tiếp xúc của hãng Renishaw

đường tâm vết quét ta có thể xác định được tọa độ của các điểm trên biên dạng tạo nên do vết chiếu sáng trên bề mặt vật thể

Thiết bị sử dụng phương pháp đo này có tốc độ đo quét rất nhanh với độ chính xác cao Với mỗi lần chụp ảnh có thể xác định được tọa độ của rất nhiều điểm trên biên dạng quét Số điểm tọa độ trên biên dạng quét phụ thuộc vào độ phân giải của bộ thu quang Bộ thu quang có độ phân giải càng cao thì

số điểm ảnh của vết sáng càng nhiều, giúp ta chia càng nhỏ biên dạng quét thành nhiều điểm tọa độ hơn do đó đạt được độ chính cao hơn Ngoài ra trường nhìn của bộ thu quang cũng ảnh hưởng tới số điểm ảnh của vệt sáng Khung hình bức ảnh đủ rộng để chứa được hình ảnh vệt sáng thì số điểm ảnh

sẽ cao hơn bức ảnh có khung hình rộng với hình ảnh vệt sáng nhỏ

Với nhiều ưu điểm nổi trội về tốc độ đo, khả năng đảm bảo độ chính xác

đo và các đặc tính kinh tế kỹ thuật Hiện nay phương pháp này được ứng dụng ngày càng nhiều trong các hoạt động kiểm tra chất lượng sản phẩm trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp

Hình 1.5 : Nguyên lý thu ảnh vết chiếu laser

Thành tựu đạt được của một số hãng sản xuất thiết bị đo trên thế giới dựa theo nguyên lý của phương pháp chụp ảnh vết sáng khi chiếu laser lên bề mặt vật thể đo:

a) Thiết bị đo kiểm lốp xe

 Nguồn laser sử dụng: Class IIIa

b) Thi ết bị đo kiểm sản phẩm thanh định hình

Hình 1.6: Thiết bị kiểm tra lốp xe

Hình 1.7: Thiết bị kiểm tra thanh định hình của hãng Bytewise

 Hãng sản xuất: Zumbach – Thụy Sỹ

 Model: Profile Master

Hình 1.8: Một thiết bị khác kiểm tra chi tiết thanh của Bytewise

Hình 1.9: T hiết bị kiểm tra chi tiết thanh của hãng Zumbach

 Mục đích sử dụng: đo kiểm các thông số kích thước hình học của chi tiết dạng thanh định hình

 Độ lặp lại: 0,01mm

 Nguồn laser sử dụng: Class 3R

c) T ay đo quét 3 tọa độ với đầu quét laser

- Đo các chi tiết trong khi đang gia công tiện, mài vô tâm, đánh bóng

- Đo quét các chi tiết có bề mặt mềm, xốp như đệm mút, cao su, da

Hình 1.10: Tay đo 6 bậc tự do mang đầu đo chụp ảnh vết chiếu laser

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THU ẢNH VẾT CHIẾU LASER 2.1 Cách t ạo vết sáng trên bề mặt vật thể

2.1.1 Các đặc tính cần thiết của vết sáng

Để tạo vết sáng lên bề mặt vật thể bằng cách chiếu chùm ánh sáng màu, ta có thể sử dụng nguồn laser màu hoặc các nguồn ánh sáng màu được tạo ra bởi nhiều cách khác nhau Tuy nhiên phương pháp chụp ảnh vết sáng của chùm tia để đo kích thước yêu cầu vết sáng phải đảm bảo các tính chất sau:

- Độ đồng màu cao, giúp cho việc tách các điểm màu của vết sáng đảm

bảo độ chính xác cao

- Độ ổn định màu sắc cao Khi có sự thay đổi của nguồn điện cấp, nguồn phát tia chiếu vẫn phải đảm bảo được độ ổn định màu

- Mật độ điểm màu cao

- Độ rộng của vết sáng đảm bảo khả năng phân biệt các vùng chuyển

tiếp trên bề mặt vật thể

Với các yêu cầu trên ta nhận thấy sử dụng các nguồn laser màu rất phù hợp cho ứng dụng

2.1.2 Các đặc tính cơ bản của chùm tia laser

Laser là tên viết tắt của cụm từ Light Amplification by Stimulated

Emission of Radiation trong tiếng Anh, và có nghĩa là "khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích"

 Tính đơn sắc rất cao: chùm sáng chỉ có một màu (hay một bước sóng)

duy nhất Do vậy chùm laser không bị tán xạ khi đi qua mặt phân cách của hai môi trường có chiết suất khác nhau Đây là tính chất đặc biệt nhất mà không nguồn sáng nào có Màu sắc của chùm tia laser được đặc trưng bởi bước sóng của chùm tia Bước sóng của chùm tia phụ thuộc vào môi chất phát bức xạ cưỡng bức của nguồn laser Sự chênh lệch giữa các mức năng

lượng của các bức xạ cưỡng bức trong buồng cộng hưởng gây nên sự chênh lệch bước sóng của chùm tia laser phát ra Khoảng thay đổi bước sóng còn được gọi là độ rộng phổ, độ rộng phổ của nguồn laser khá hẹp Hiện nay laser bán dẫn đã có thể phát ra chùm sáng với độ rộng phổ

<0,1nm

 Độ định hướng cao: tia laser phát ra hầu như là chùm song song do đó

khả năng chiếu xa hàng nghìn km mà không bị phân tán

 Mật độ năng lượng cao: nguồn laser có khả năng phát xung cực ngắn, cỡ

mili giây (ms), nano giây, pico giây, cho phép tập trung năng lượng tia laser cực lớn trong thời gian cực ngắn

2.1.3 Tạo nguồn sáng dạng đường từ nguồn sáng dạng điểm

Nguồn sáng được sử dụng ở đây là nguồn sáng dạng điểm có độ định hướng cao, tính đơn sắc cao Vấn đề đặt ra ở đây là làm sao tạo ra được nguồn chiếu sáng dạng đường (có góc chiếu rộng với chiều rộng của vết sáng nhỏ) từ nguồn sáng dạng điểm

2.1.3.1 Sử dụng chuyển động quay của gương

Chùm tia laser được chiếu vào mặt phản xạ của gương chuyển động quay với tốc độ lớn Thông thường sử dụng gương đa cạnh để có được vết sáng tương đối ổn định về cường độ sáng trên toàn bộ chiều dài

Hình 2.2: Sử dụng thấu kính trụ để tạo vết chiếu

Nhược điểm của phương án này là khi sử dụng bộ thu quang với tốc độ chụp lớn thì cường độ sáng của vết sáng thu được trên ảnh khó đạt được sự đồng đều trên toàn bộ chiều dài Gây khó khăn cho việc tách lọc vết sáng ra khỏi bức ảnh chung

2.1.3.2 Sử dụng thấu kính trụ

Vết sáng đường được tạo thành từ nguồn sáng điểm nhờ vào đặc điểm tạo ảnh của thấu kính trụ Thấu kính trụ có hai mặt phẳng tạo ảnh: mặt phẳng tới trùng với mặt vuông góc với trục trụ được gọi là mặt Merion, mặt phẳng tới chứa trục trụ và đường sinh gọi là mặt Sakitan Tụ số của thấu kính trụ thay đổi tùy thuộc vào các mặt phẳng tới

Tụ số theo mặt Merion: D’ # 0

Tụ số theo mặt Sakitan: D’ = 0

Như vậy trong mặt phẳng Sakitan chiều rộng lớn nhất của vết sáng bằng đường kính của chùm tia laser, trong mặt phẳng Merion chùm tia laser bị phân kỳ tạo nên góc chiếu rộng

2.1.4 Tính toán thấu kính trụ

Thấu kính trụ có hai mặt khúc xạ, một trong hai mặt là mặt trụ hoặc cả hai mặt đều là mặt trụ Mặt phẳng tới trùng với mặt vuông góc với trục trụ được gọi là mặt Merion, mặt phẳng tới chứa trục trụ và đường sinh gọi là mặt Sakitan Tụ số của thấu kính trụ thay đổi tùy thuộc vào các mặt phẳng tới

2 1 2

2 1

'

.

) 1 ( 1 1 1

r r n

d n r r n D

Chùm tia tới hướng vuông góc với mặt phẳng của thấu kính

Tụ số theo mặt Merion được tính theo công thức:

r

n

D' = −1

Trong đó: r là bán kính cong mặt trụ

n là chiết suất của vật liệu thấu kính

b) Thấu kính trụ tròn xoay có bán kính cong r

Chiều dày của thấu kính: d= 2r

Bán kính cong các mặt: r1 = r; r2 = -r

Thay vào công thức tổng quát (1.1) ta được:

r n

n n

D

.

) 1 2 )(

1 ( 2

' = − −

(1.2) Khi sử dụng thấu kính trụ với mục đích dùng nguồn sáng dạng chùm điểm để tạo chùm sáng dẹt với góc phát rộng thì cần dùng đến độ tụ D’ của

thấu kính lớn Với hai trường hợp đã xét ở trên ta dễ dàng nhận thấy khi sử dụng thấu kính trụ có cả hai mặt đều trụ lồi thì thu được D’ có giá trị lớn hơn Xét thấu kính hai mặt trụ:

- Vật liệu thủy tinh có chiết suất: n

- Bán kính trụ: r

Để tính góc phân kỳ phải biết độ rộng chùm tia, góc phân kỳ lớn nhất do những tia nằm biên ngoài cùng sau khi đi qua thấu kính hội tụ tại tiêu điểm Những tia trùng quang trục truyền thẳng khi qua thấu kính

- Độ rộng chùm tia đi vào thấu kính là Øds

- Khoảng tiêu cự thấu kính là f’

- Gọi góc phân kỳ lớn nhất của chùm tia là φ

Từ hình vẽ ta thấy '

2

) 2

n n

D

.

) 1 2 )(

1 ( 2

'= − −

Nên ta rút ra:

r n

d n n

.

).

1 2 )(

1 ( ) 2

đường kính chùm tia có đường kính xấp xỉ đường kính của thấu kính trụ Đường kính chùm tia lớn hơn đường kính của thấu kính trụ cũng không cải thiện thêm về góc mở rộng của chùm tia

- Góc mở rộng của chùm tia sẽ lớn hơn đối với thấu kính trụ có khoảng tiêu cự nhỏ hay có độ tụ lớn Kết hợp với công thức (1.2) ta nhận thấy

độ tụ thấu kính sẽ lớn hơn khi bán kính trụ nhỏ đi

Như vậy việc tăng đường kính chùm tia xấp xỉ bằng đường kính thấu kính

trụ và việc giảm đường kính thấu kính trụ xuống đều là hai biện pháp nhằm nâng cao độ rộng góc mở của chùm tia khi đi qua thấu kính Tuy nhiên hai yếu tố này có liên quan mật thiết và ảnh hưởng lẫn nhau

Dựa vào công thức (1.4) khi đường kính chùm tia lớn hơn hoặc xấp xỉ bằng đường kính của thấu kính trụ thì ta có

n

n n

tg ) 2.( 1)(2 1)2

Hay nói cách khác khi chùm tia laser đã phủ hết toàn bộ mặt Merion của thấu kính trụ thì việc giảm bán kính cong của thấu kính trụ không làm thay đổi độ rộng góc

mở chùm tia khi đi qua thấu kính trụ Việc giảm bán kính cong chùm tia xuống nhằm nâng cao độ rộng góc mở chỉ có tác dụng khi đường kính thấu kính trụ lớn hơn đường kính chùm tia

Việc tính toán để đưa ra lựa chọn thiết kế để đạt được độ rộng góc mở hợp lý của chùm tia khi đi qua thấu kính trụ cũng là một vấn đề rất quan trọng Bởi vì góc mở chùm tia rộng hay hẹp đều có ưu nhược điểm nhất định, phụ thuộc vào không gian đo của thiết bị

 Nếu góc phát rộng

Ưu điểm:

- Sự thay đổi độ hẹp chùm tia khi qua thấu kính trụ sẽ ít thay đổi hơn

- Không cần phải đặt chi tiết xa nguồn laser giúp giảm bớt không gian thiết bị

Nhược điểm:

- Mật độ chùm tia yếu

- Khi đo các chi tiết kích thước nhỏ, chùm tia chiếu ra ngoài chi tiết quá nhiều làm cho khó phân biệt đâu là vết sáng cần phân tích khi xử lý ảnh

- Sự thay đổi độ rộng biểu hiện rõ trên dải chiếu của chùm tia

2.1.5 T ạo vết chiếu laser với bề rộng ngang ít thay đổi

Do đặc điểm chùm tia laser hình rẽ quạt được tạo ra do khi cho chùm tia dạng tròn đi qua thấu kính trụ, nên nếu hứng chùm tia bằng mặt phẳng ảnh vuông góc với trục đối xứng thì nhận được vết chiếu sáng hình Elip Vết chiếu hình Elip khi chiếu lên các bề mặt cong hay bề mặt gấp khúc sẽ gây khó khăn cho việc phân tích, xử lý hình ảnh vết sáng Một biện pháp được đưa ra nhằm ổn định bề rộng ngang của chùm tia là sử dụng khe chắn sáng hình chữ nhật Vị trí khe chắn sáng có thể được đặt sau thấu kính trụ:

Khe chắn sáng

Hình 2.4: Khe sáng đặt sau thấu kính trụ

Hoặc đặt giữa thấu kính trụ và nguồn laser

Với vết sáng có chiều rộng ngang nhỏ sẽ tốt hơn cho quá trình xử lý tính toán tọa độ các điểm thuộc vết sáng Độ rộng của khe sáng cũng ảnh hưởng đến cường độ sáng của vết sáng trên bề mặt vật thể được chiếu Với vết sáng

có cường độ sáng yếu, bức ảnh chụp sẽ khó phân biệt được các điểm ảnh thuộc vết sáng với các điểm ảnh ở vùng khác Mặt khác khe sáng quá hẹp còn gây nên hiện tượng nhiễu xạ của chùm tia khi đi qua khe hẹp gây nên hình ảnh xấu của vết sáng

2.2 Góc chiếu laser và góc chụp ảnh

Phần này đề cập đến cách bố trí nguồn laser và bộ phận chụp ảnh để có được góc chiếu laser lên bề mặt vật thể và góc chụp ảnh hợp lý nhất nhằm đảm bảo độ chính xác đo cao nhất

Với camera có độ phân giải nhất định, để chọn được góc chiếu laser và góc chụp ảnh vết sáng hợp lý nhất ta tập trung vào các ý chính sau:

- Góc chiếu của laser lên bề mặt vật thể đo sao cho biên dạng của vết sáng càng gần với kích thước cần đo càng tốt

- Góc chiếu và góc chụp bố trí hợp lý để tránh hiện tượng chùm tia laser phản xạ lên bề mặt vật đo đi vào ống kính gây hiện tượng nhòe ảnh và

Khe chắn sáng

Hình 2.5: Khe sáng đặt giữa thấu kính trụ và nguồn laser

thấp chí có thể gây hư hại đến camera do nhận phải cường độ sáng quá mạnh

- Ảnh vết sáng có độ sắc nét cao, độ rộng ngang nhỏ Với độ rộng ngang của chùm tia càng nhỏ càng cho phép thực hiện các lưới quét trên bề mặt vật thể đo với mật độ cao hơn Tuy nhiên nếu độ rộng chùm tia quá nhỏ thì cường độ sáng của vết chiếu sáng trên bề mặt vật thể rất yếu, gây khó khăn cho việc phân biệt các điểm ảnh trên vết sáng và các điểm ảnh không thuộc vết sáng

- Hình ảnh của vết sáng trong khung hình được sắp xếp theo chiều sao cho chiếm số lượng điểm ảnh lớn nhất

- Khung hình của bức ảnh càng phủ vừa với chiều dài đoạn vết sáng cần chụp càng tốt Vì với khung hình bức ảnh đủ rộng để chứa được hình ảnh đoạn vết sáng cần chụp thì số điểm ảnh của vết sáng sẽ cao hơn so với khung hình rộng có hình ảnh vết sáng nhỏ

- Hướng chụp của camera càng vuông góc với mặt phẳng chứa vết sáng thì số điểm ảnh của vết sáng càng cao, tránh được hiện tượng trùng lấp điểm ảnh

Chọn hệ trục tọa độ có trục Oz trùng với trục chi tiết, mặt phẳng thẳng đứng là mặt yOz, mặt phẳng nằm ngang là mặt phẳng xOz

Chưa xét đến vị trí đặt bộ phận thu ảnh, ta giả sử nguồn laser được đặt sao cho trục đối xứng của chùm tia laser nằm trong mặt phẳng thẳng đứng yOz Mặt phẳng chứa chùm tia sẽ tạo với trục Oz (hay trục chi tiết) một góc βH

trong mặt phẳng nằm ngang xOz và tạo với trục Oz mộ góc βV trong mặt phẳng thẳng đứng yOz

Bài toán đặt ra là đi tìm góc bằng βH và góc đứng βV hợp lý nhất Ta nhận thấy khi mặt phẳng chứa chùm tia laser tạo với trục Oz một góc βH vuông 900thì chiều dài vết sáng do laser tạo ra trên bề mặt chi tiết là ngắn nhất, gần với kích thước độ rộng của chi tiết Theo lập luận ở phần trên ta nhận thấy chọn góc βH = 900là hợp lý nhất

Góc chiếu βV (xét trong mặt phẳng yOz) sẽ ảnh hưởng đến độ rộng ngang của vết sáng trên bề mặt chi tiết Khi góc chiếu βV=1800 tức mặt phẳng chứa chùm tia laser song song với trục thẳng đứng Oy thì vết sáng tạo ra trên bề mặt chi tiết có độ rộng ngang nhỏ nhất Mặt khác khi mặt phẳng chiếu tạo với trục chi tiết một góc nhỏ theo phương thẳng đứng thì tia laser bị phản xạ rất mạnh trên bề mặt chi tiết gây nên hiện tượng không rõ nét của vết sáng Tuy

nhiên việc chọn góc βV hợp lý còn phụ thuộc vào góc chụp ảnh xét ở phần sau

Trong nhiều quá trình vật lý, khi sóng phẳng lan truyền tới một bề mặt phân cách thì xảy hiện tượng phản xạ Người ta chia hiện tượng phản xạ thành hai loại cơ bản: phản xạ định hướng và phản xạ khuếh tán hay còn gọi là tán

xạ Hiện tượng phản xạ định hướng xảy ra khi sóng truyền tới mặt tiếp giáp giữa hai môi trường phẳng nhẵn Với hiện tượng phản xạ định hướng góc tới

θi bằng góc phản xạ θr

Phản xạ khuếch tán (hay tán xạ) xảy ra khi sóng đi tới bề mặt tiếp giáp giữa hai môi trường không phẳng nhẵn và sóng phản xạ đi theo nhiều phương khác nhau Phản xạ khuếch tán thường thấy khi ta chiếu một tia sáng vào tờ giấy trắng, trên tờ giấy xuất hiện một vệt sáng Khí đó ánh sáng bị hắt lại theo mọi hướng

Một yếu tố rất quan trọng quyết định đến việc chọn góc chiếu βV đó là qui trình đo Tùy theo các mục đích đo đạc khác nhau cần thực hiện đối với chi tiết đo mà ta sẽ thực hiện qui trình đo khác nhau Chẳng hạn khi cần đo quét

để số hóa bề mặt chi tiết thì phải thực hiện nhiều phép đo hơn nhằm thu thập được một lưới tọa độ các điểm thuộc bề mặt vật thể với mật độ mắt lưới nhất định Từ bề mặt vật thể đã được số hóa ta có thể xác định được các kích thước hình học và các sai số kích thước hình học, sai số tương quan về vị trí Và trường hợp này góc chiếu βV của chùm tia có thể là một góc vuông hoặc một

Hình 2.8: Sự phản xạ và tán xạ của tia laser trên bề mặt vật thể

góc bất kỳ Nhưng đối với các mục đích đo đơn giản hơn, chẳng hạn chỉ cần xác định các kích thước cạnh hay đường kính của thanh phục vụ cho xác định tiết diện mặt cắt ngang với số phép đo tối thiểu thì bắt buộc phải thiết lập góc chiếu βV càng vuông góc càng tốt

2.2.2 Góc chụp ảnh

Theo kết quả phân tích ở trên, ta sẽ đặt nguồn phát laser sao cho chùm tia laser tạo với trục Oz một góc βH = 900 (xét trong mặt phẳng nằm ngang xOz) Khái niệm góc chụp đưa ra ở đây được được hiểu là góc tạo bởi trục quang của camera với mặt phẳng chứa chùm tia laser xét trong mặt phẳng thẳng đứng yOz, góc chụp được ký hiệu là φ Với một giả thiết mặc định là quang trục của camera luôn nằm trong mặt phẳng yOz

Nhiệm vụ tiếp theo là phân tích, tính toán để đưa ra phương án chọn góc chụp φ như thế nào cho hợp lý Về nguyên tắc quang trục của camera càng vuông góc với mặt phẳng chứa vết sáng (cũng là mặt phẳng chứa chùm tia laser) thì với một góc chiếu βV nhất định, số điểm ảnh của cùng một đoạn vết sáng xét theo phương thẳng đứng sẽ nhiều hơn Lúc đó tỷ lệ điểm ảnh của vết sáng theo phương nằm ngang và theo phương thẳng đứng càng gần với nhau Việc chọn góc chụp φ còn phải tính đến góc chiếu βV để không xảy ra hiện tượng chùm tia laser phản xạ vào camera gây nhòe ảnh hoặc gây hư hại

đến bộ thu quang của camera do cường độ ánh sáng đi vào ống kính quá mạnh

Như đã phân tích ở trên, trường hợp thiết bị đo có thực hiện các phép đo với mục đích xác định các kích thước hình học thuộc mặt cắt vuông góc với trục chi tiết hoặc xác định sai số hình học như độ không thẳng, độ ôvan thì yêu cầu góc chiếu βV phải là góc vuông Lúc đó nếu ta mong muốn chụp ảnh vết sáng theo hướng vuông góc với mặt phẳng chứa vết sáng (φ=900) là điều không thể thực hiện được Và nếu muốn có được góc chụp φ lớn thì đòi hỏi giữa camera và nguồn phát laser phải đặt ở những vị trí cách nhau một khoảng tương đối lớn so với không gian thiết bị

Từ hình vẽ ta nhận thấy, ở vị trí số (2) gần với nguồn laser thì góc chụp φ2

có giá trị nhỏ hơn ở vị trí số (1) xa nguồn laser Sự ảnh hưởng của góc chụp đến chất lượng ảnh chụp vết sáng và độ chính xác của phép đo cần phải tiến hành các quá trình thực nghiệm để đánh giá

2.3 L ựa chọn thiết bị thu ảnh vết sáng

Ảnh của vết sáng cần được thu lại và thông qua chương trình phần mềm

để xử lý, tính toán đưa ra tọa độ các điểm thuộc vết sáng để rồi từ đó xác định các thông số kích thước hình học cần đo Thiết bị chụp ảnh kỹ thuật số là thiết

bị lựa chọn thích hợp cho việc thu ảnh vết sáng

Các hãng sản xuất thiết bị với mức độ tích hợp cao thường sử dụng các bộ cảm biến quang dùng trong thiết bị chụp ảnh kỹ thuật số và xây dựng các bo mạch điều khiển quá trình chụp ảnh, truyền dữ liệu ảnh cho cảm biến quang Tuy nhiên cũng có nhiều góc độ khác nhau trong việc sử dụng các thiết bị chụp ảnh kỹ thuật số vào cấu hình chung của hệ thống thiết bị

Những phân tích dưới đây đề cập đến những loại cảm biến quang phổ biến dùng trong thiết bị chụp ảnh kỹ thuật số Đồng thời đưa ra một số thiết bị chụp ảnh kỹ thuật số có thể sử dụng cho mục đích xây dựng mô hình thiết bị phục vụ cho công việc thực nghiệm và cho việc chế tạo thiết bị sau này

2.3.1 Một số loại cảm biến quang

Bộ cảm biến quang làm thực hiện việc biến đổi ánh sáng thành những tín hiệu rời rạc Bộ cảm biến gồm hàng triệu ô nhỏ, những ô nhỏ này phản ứng với một màu ánh sáng tùy theo kính lọc màu của nó Mỗi ô đó gọi là một pixel, chúng được sắp xếp xen vào nhau sao cho ba chấm màu RGB (đỏ-lục-lam) ghép lại thành cụm điểm có đủ ba màu đỏ, lục, lam

Hình 2.11 : Cấu tạo các lớp của bộ cảm biến

Hiện nay có hai loại cảm biến được dùng rộng rãi trong kỹ thuật ảnh số

đó là cảm biến CCD và cảm biến CMOS

2.3.1.1 Cảm biến quang CCD

CCD được viết tắt từ Charge Couple Device (thiết bị tích điện kép), là

một bộ nhớ điện tử có khả năng tích điện dưới tác dụng của ánh sáng Khi gặp ánh sáng, mỗi điểm trên CCD sẽ được nạp một mức điện tích tương ứng theo cường độ nguồn sáng chiếu vào Mọi người thường hình dung CCD là một thiết bị số điển hình, song thiết bị này lại sử dụng công nghệ tương tự CCD thường có hình chữ nhật kích thước 1/2 inch hoặc 2/3 inch hoặc lớn hơn tuỳ thiết bị, bao gồm các transistor MOS (metal oxide semiconductor) đặc biệt có

khả năng cảm nhận ánh sáng, hay còn gọi là diode quang (photo diode), được sắp xếp thành ma trận Kích thước của ma trận (số lượng transistor, hay còn gọi là số pixel) xác định độ phân giải tối đa của CCD

Số transistor càng lớn, CCD cho độ phân giải càng cao Do công nghệ sản

xuất vi mạch ngày càng tinh vi, kích thước của transistor trở nên nhỏ hơn, chiếm ít chỗ hơn, cho phép tăng mật độ transistor trên một diện tích

Hình 2.12 : Bộ cảm biến quang với kích thước nhỏ gọn

Cùng với CCD, một thiết bị điện tử khác là ADC (analog to digital converter – bộ chuyển tín hiệu tương tự sang tín hiệu số) độc lập thực hiện chức năng chuyển đổi giá trị điện tích của các điểm trên CCD sang một giá trị

số biểu thị màu tương ứng Nếu kích thước ma trận trên CCD quyết định độ phân giải, thì ADC xác định độ sâu màu (color depth, đo bằng bit), tức khả năng thể hiện các sắc độ màu của hình ảnh được ghi nhận Độ sâu càng lớn, màu càng trung thực

2.3.1.2 Cảm biến quang CMOS

CMOS, viết tắt của "Complementary Metal-Oxide-Semiconductor" là thuật ngữ chỉ một lọai công nghệ dùng để chế tạo vi mạch tích hợp Công nghệ CMOS được dùng để chế tạo vi xử lý, vi điều khiển, RAM tĩnh và cũng được dùng rất nhiều trong các mạch tương tự như cảm biến hình ảnh

Hai đặc tính cơ bản của các linh kiện được chế tạo bằng công nghệ CMOS là có độ miễn nhiễu cao và tiêu thụ năng lượng ở trạng thái tĩnh rất thấp Các vi mạch CMOS chỉ tiêu thụ năng lượng một cách đáng kể khi các transistor bên trong nó chuyển đổi giữa các trạng thái đóng (ON) và mở (OFF) Kết quả là các thiết bị CMOS ít tiêu thụ năng lượng và tạo ra ít nhiệt hơn so với các loại mạch lôgíc khác như mạch transistor-transistor logic (TTL) hay mạch logic NMOS (khác với CMOS, NMOS chỉ dùng tòan bộ transistor hiệu ứng trường kiểu n và không dùng transistor hiệu ứng trường kiểu p) CMOS cũng cho phép tích hợp các hàm lôgíc với mật độ cao trên chíp

So với các thiết bị chụp cảnh kỹ thuật số dùng cảm biến quang CCD thì thiết bị chụp ảnh kỹ thuật số sử dụng cảm biến quang CMOS có những ưu điểm sau:

- Độ nhạy sáng cao

- Độ phân giải cao

- Điện năng tiêu thụ ít, kéo dài thời gian dùng pin

- Ít bị nhiễu, tỷ số tín hiệu trên nhiễu cao

- Tốc độ xử lý ảnh chụp nhanh hơn

- Tích hợp nhiều chức năng tương tác trên ảnh chụp

2 3.2 Độ phân giải camera và độ phân giải ảnh

Khi xét đến khái niệm độ phân giải ta cần chú ý phân biệt hai khái niệm

độ phân giải của camera và độ phân giải của ảnh chụp Độ phân giải camera đặc trưng bởi số lượng các pixel có trên cảm biến quang của camera Số lượng pixel tính theo hàng triệu gọi là megapixel Nhưng số pixel chưa đủ quyết định độ phân giải thật của ảnh Còn phải xét đến kích thước của bộ cảm biến, chất lượng của ống kính, và cách sắp xếp các pixel Nhiều máy chụp ảnh

số gọn có số pixel rất lớn nhưng kích thước bộ cảm biến lại nhỏ nên kích thước của mỗi pixel quá nhỏ, nhỏ hơn khả năng ống kính có thể phân biệt được, như vậy thì độ nét của ảnh không thật sự bằng số pixel đó

Quá nhiều pixel có khi còn làm giảm chất lượng của ảnh theo một cách khác Do pixel quá nhỏ, nó nhận được quá ít ánh sáng nên tín hiệu nó sinh ra quá yếu dễ bị lẫn với nhiễu của mạch điện tử Kết quả là bức ảnh không rõ, nhất là ở những vùng chuyển màu

Độ phân giải của bức ảnh chụp luôn luôn nhỏ hơn hoặc bằng độ phân giải camera, nó phụ thuộc vào việc thiết lập kích thước ảnh chụp Chẳng hạn với

sự thiết lập kích thước ảnh chụp khác nhau mà với cùng một camera có độ phân giải 6.0 Mega Pixel ta có các kích thước ảnh sau:

Kích thước chiều rộng x

chiều cao của bức ảnh (pixel)

Tỷ lệ chiều rộng/ chiều cao

Độ phân giải (Mega pixel)

bề mặt vật thể cần quan tâm đến các vấn đề sau:

- Khả năng kết nối với máy tính Đây là một tiêu chí rất cần thiết, nó cho phép thiết bị chụp ảnh có thể gửi dữ liệu ảnh phục vụ cho việc phân tích, tính toán bằng chương trình phần mềm

- Khả năng chụp ảnh nét ở cự ly gần Đảm bảo cho việc thiết kế mô hình thiết bị với kích thước gọn nhẹ

- Khả năng điều khiển quá trình chụp, truyền dữ liệu ảnh linh hoạt Quá trình chụp ảnh vết sáng cần điều chỉnh nhiều thông số của quá trình chụp để đảm bảo thu được bức ảnh với độ phơi sáng hợp lý Các thông

số điều chỉnh bao gồm độ mở ống kính, tốc độ màn trập, thời gian phơi sáng Những thông số này sẽ được phân tích chi tiết hơn ở phần sau

2 4 Các thông số kỹ thuật liên quan đến chế độ chụp ảnh

Hình ảnh của vết sáng do chùm laser chiếu lên bề mặt vật thể tạo nên có những đặc điểm rất khác biệt so với những điểm khác không thuộc vết sáng Nhờ độ đồng màu cao và độ ổn định màu sắc của chùm tia laser và đặc biệt là ánh sáng của chùm ta có cường độ sáng rất cao Tuy nhiên việc thu ảnh của vết sáng làm sao để đảm bảo tốt nhất cho việc xử lý ảnh thì không phải là vấn

đề đơn giản đối với một vết sáng có cường độ sáng cao ngoài ra còn bị tán xạ khi gặp bề mặt chi tiết

Ngoài các yếu tố kỹ thuật nhằm đảm bảo vết sáng có cường độ sáng đều với bề rộng vết sáng ít thay đổi thì các yếu tố kỹ thuật liên quan đến chụp ảnh vết sáng cũng hết sức quan trọng Ta tạm gọi vết sáng là chủ thể còn các điểm khác ngoài vết sáng được tạm gọi là hậu cảnh Để chụp được bức ảnh với chủ thể nổi bật trong hậu cảnh ta phải hiểu được các vấn đề kỹ thuật sau:

2.4.1 S ự phơi sáng (Exposure)

Bản chất của chụp ảnh là sự phơi sáng, camera là một hộp tối Khi điều khiển chụp ảnh, một cánh cửa được mở ra cho ánh sáng bên ngoài đi vào qua ống kính Ánh sáng tác dụng vào cảm biến quang để tạo ra hình ảnh Một bức ảnh ta có thể tạm chia làm hai phần: độ sáng và sự cân đối ánh sáng Cảm biến quang là một vật thu sáng và độ sáng của bức ảnh quyết định bởi lượng ánh sáng mà cảm biến thu được Khi lượng ánh sáng vào quá nhiều thì ảnh sẽ trắng xóa còn không đủ thì ảnh sẽ bị tối Một bức ảnh có độ sáng đúng với đối tượng được chụp gọi là đúng sáng Ngoài yếu tố độ sáng ra, sự cân đối ánh sáng khác nhau sẽ tạo ra những bức ảnh hoàn toàn khác nhau với cùng một độ sáng Lượng ánh sáng cảm biến thu được gọi là độ phơi sáng Ev (Exposure value) Khái niệm Ev liên quan đến nhiều yếu tố ảnh hưởng khác nên sẽ được trình bày sau

2.4.2 Độ mở ống kính (Aperture)

Độ mở ống kính là phần điều chỉnh cường độ ánh sáng đi qua ống kính Chúng ta có thể hiểu phần này như là khả năng cho ánh sáng đi qua của ống kính Cấu tạo bộ phận này bao gồm những lá mỏng ghép lại tạo ra khe hở dạng hình tròn có thể điều chỉnh được Tương ứng với các độ mở ống kính ta

có dãy trị số tiêu chuẩn 1 , 1.4 , 2 , 2.8 , 4 , 5.6 , 8 , 11 , 16 , 32 … các trị số

này gọi là F-stop hay Khẩu độ Tại mỗi F-stop ta có đường kính lỗ mở d tương đương d=f/1, f/1.4 , f/2 f/2.8 … và f chính là độ dài tiêu cự ống kính Như vậy ta có thể thấy khẩu độ càng lớn thì đường kính d càng nhỏ và ánh sáng đi qua ống kính càng ít Và cùng một đường kính lỗ mở d nếu độ dài tiêu

cự ống kính càng dài thì khẩu độ càng lớn

Dãy trị số F-stop là dãy bội số căn bậc hai của 2 Trong kỹ thuật chụp ảnh, người ta chọn tiêu chuẩn điều chỉnh độ sáng với một khoảng cách là gấp đôi Nghĩa là khi mở ống kính thêm một khẩu độ có nghĩa là lượng ánh sáng thu được sẽ tăng gấp hai lần Muốn như thế diện tích lỗ mở phải tăng gấp đôi tương đương với đường kính tăng lên 1.4 lần

Khi chọn thiết bị chụp ảnh kỹ thuật số cần để ý đến khả năng thay đổi độ

mở ống kính Một số camera có độ mở ống kính cố định, phổ biến là các webcam (web camera) Với độ mở ống kính cố định thì làm giảm đi tính đa dạng trong việc điều khiển chụp ảnh vết sáng, không cho phép thay đổi độ sâu của bức ảnh hay nói cách khác độ rộng của vùng rõ nét bị cố định (sẽ được phân tích kỹ hơn ở phần độ sâu trường ảnh)

2.4.3 Thời chụp hay tốc độ (Shutter Speed)

Ngoài việc điều chỉnh cường độ ánh sáng đi qua ống kính ta còn có thể điều chỉnh thời gian cho ánh sáng đi vào để thay đổi độ sáng của ảnh chụp Yếu tố này gọi là thời chụp hay tốc độ chụp Đơn vị tính là giây

Hình 2.13 : Bộ phận điều chỉnh độ mở ống kính

Thời gian này chính là thời gian màn trập trong camera mở ra để cho ánh sáng đi vào Thời gian này càng lâu (tốc độ chậm) thì lượng ánh sáng đi vào càng nhiều và ngược lại, thời gian này càng ngắn (tốc độ nhanh) thì lượng sáng đi vào sẽ ít đi Cũng như phần độ mở ống kính, theo tiêu chuẩn thì khi tăng một nấc thời gian chụp thì lượng ánh sáng đi vào gấp đôi Tốc độ chụp nhanh hơn 1s có 1/2 , 1/4 , …1/125, 1/250… Còn lâu hơn 1s là 2, 4, 8 , 16s…

2.4.4 Độ nhạy sáng của cảm biến

Yếu tố này thể hiện khả năng hấp thụ ánh sáng của cảm biến Độ nhạy sáng thường được thể hiện qua chỉ số ISO 100, ISO 200, ISO 400, ISO 800 Thông thường các camera số có thể thiết lập được một số giá trị độ nhạy sáng cho chế độ chụp Độ nhạy sáng cao thì độ phơi sáng nhanh đạt đến giá trị bảo hòa Nếu thiết lập độ nhạy sáng cao lên thì những vùng có cường độ sáng cao

sẽ bão hòa trước, các điểm ảnh tại các vùng đó sẽ có màu trắng Những vùng

có cường độ sáng kém hơn sẽ có màu tối Tuy nhiên với độ nhạy sáng càng cao thì nhiễu cũng tăng lên, kết quả là hình ảnh không rõ nét

2.4.5 Độ phơi sáng (Exposure Value - Ev)

Sự kết hợp của độ mở ống kính và tốc độ chụp cho ta một đại lượng đặc trưng gọi là Exposure value (Ev) Ev 0 là khi ta đặt khẩu độ là 1 ở tốc độ chụp

Hình 2.14 : Cấu tạo màn trập

là 1 giây Ev được tính bằng kết hợp hai hàm logarit của giá trị độ mở ống kính (Aperture value) và giá trị của thời chụp (Time Value)

Ev = Av + Tv

Gọi N là trị số khẩu độ ( f-number) ta có Apeture value:

N N

Av= log2 2 = 2 log2

Nếu t là thời chụp tính bằng giây ta có Time Value:

t t

Tv= log21= − log2

Khi mở ống kính thêm một khẩu độ thì thời gian chụp phải giảm đi một nửa thì Ev không thay đổi Ánh sáng tác động vào cảm biến quang còn phụ thuộc vào độ nhạy sáng của cảm biến Độ nhạy sáng của cảm biến quang thì đơn giản như khẩu độ hay tốc độ chụp là tăng gấp đôi thì lượng sáng vào sẽ tăng gấp đôi

2.4.6 Độ sâu của trường ảnh (Depth Of Field - DOF)

Một thực tế là khi chụp một bức ảnh, độ rõ nét không xuyên xuốt Khi ta canh nét vào chủ thể thì trước và sau chủ thể sẽ có khoảng không rõ nét Khoảng cách mà ảnh còn rõ nét trước và sau điểm lấy nét gọi là độ sâu trường ảnh và thường gọi tắt là DOF Khoảng rõ nét do nhiều yếu tố ảnh hưởng đến Tuy nhiên yếu tố đầu tiên có thể nói là độ mở ống kính

Hình 2.15: Độ sâu trường ảnh thay đổi theo độ mở F

Hình trên miêu tả khi chụp các vạch thước ở cùng một vùng chụp như nhau nhưng với độ mở ống kính khác nhau sẽ cho độ rộng của vùng rõ nét khác nhau Điểm lấy nét trong tất cả các hình là điểm giữa khoảng 3 – 4 inch

Số 3 và 4 rõ nét trong tất cả các hình Các điểm còn lại rõ nét dần khi độ mở ống kính khóa nhỏ lại Như vậy khi ống kính khép nhỏ lại thì khoảng rõ nét càng thu hẹp lại

2.4.7 Lựa chọn thông số chế độ chụp ảnh vết sáng

Qua phân tích một số thông số liên quan đến kỹ thuật chụp ảnh Nhận thấy với đặc điểm vết sáng do laser tạo ra trên bề mặt có cường độ sáng cao nên muốn có được bức ảnh chụp với sự nổi bật của vết sáng, vùng rõ nét rộng theo chiều sâu ảnh và ít nhiễu Cần lựa chọn các thông số với xu hướng sau:

 Độ mở ống kính nhỏ (F-stop cao) để đạt được bức ảnh sâu, vùng rõ nét rộng

 Độ nhạy sáng cao: nhằm thu chủ thể vết sáng nổi bật hơn so với hậu cảnh

 Thời gian chụp thấp: thời gian chụp điều chỉnh đủ nhỏ để ảnh các điểm trên vết sáng vừ đủ bão hòa hoặc ở một gam màu nhất định Các phân tích trên mới chỉ mang tính định tính Để có các thông số cụ thể cần phải tiến hành thực nghiệm với từng trường hợp cụ thể

2.5 Phân tích hình ảnh vết sáng

2.5.1 Tìm hiểu về hệ màu

Thiên nhiên thường tạo ra màu sắc bằng cách lọc bỏ (trừ đi) một số bước sóng và phản xạ những bước sóng khác Việc trừ bỏ bước sóng được thực hiện bởi những nguyên tử gọi là sắc tố (pigment), chúng hấp thụ những phần đặc biệt của phổ Ví dụ, khi ánh sáng mặt trời gồm nhiều bước sóng khác nhau chiếu vào quả táo đỏ, hệ thống hàng tỷ phân tử sắc tố trên bề mặt của

quả táo hấp thụ tất cả các bước sóng ngoại trừ bước sóng ứng với màu đỏ Kết quả là ánh sáng phản xạ gây cảm nhận màu đỏ Các sắc tố lấy đi những bước sóng và hỗn hợp của hai loại sắc tố khác nhau sẽ tạo ra ánh sáng phản xạ mà bước sóng ngắn hơn Đó là hệ màu trừ (subtractive color system) Khi hai

thứ mực có màu khác nhau được trộn để tạo ra một màu khác trên giấy thì đấy cũng là một hệ màu trừ Màu mà người ta nhìn thấy là từ phần của ánh sáng không bị hấp thụ

Đem cộng nhiều nguồn sáng với những bước sóng khác nhau, sẽ tạo ra được nhiều màu khác nhau Ví dụ màn đèn hình tivi màu được phủ với những chấm photpho nhỏ rực rỡ xếp thành từng cụm 3 màu Mỗi nhóm gồm 1 điểm màu đỏ (Red), một điểm màu lục (Green) và một điểm màu lam (Blue) Sử dụng 3 màu đó là vì khi tổ hợp một cách thích hợp chúng có thể tạo ra một dải màu rộng hơn mọi tổ hợp của những bộ ba màu khác, chúng là những màu cơ bản của hệ màu cộng

Dựa trên cơ chế phát xạ ánh sáng và cơ chế hấp thụ ánh sáng, người ta chia thành hai hệ màu chính:

 Hệ màu cộng (additive color system) RGB: mô hình màu dựa trên cơ

sở phát xạ ánh sáng Hệ màu cộng được dùng chủ yếu trong xử lý ảnh phục vụ chụp ảnh, hiển thị ảnh trên máy tính

 Hệ màu trừ (subtractive color system) CMYK: mô hình màu làm việc theo cơ chế hấp thụ ánh sáng Hệ màu trừ được dùng chủ yếu trong các chế bản phục vụ cho in ấn

2.5.1.1 Hệ màu cộng RGB

Ba màu cơ bản của hệ màu trừ là: R (màu đỏ-Red), G (màu xanh lá cây – Green) và B (màu xanh da trời – Blue)