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

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.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI 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 MÔN HỌC: HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ THÔNG MINH MÃ HP: ME6615 HỌC VIÊN: NGUYỄN NGỌC SƠN CHUYÊN NGÀNH: CƠ ĐIỆN TỬ Phần 1: Tổng quan đề tài .3 1.1 Tổng quan phương pháp để đo biên dạng, chụp cắt lớp đo bề dày 1.1.1 Tổng quan nghiên cứu nước 1.1.2 Tổng quan nghiên cứu nước 1.2 Phân tích ưu nhược điểm phương pháp đo giao thoa sử dụng điều biến pha không gian để đo biên dạng, chụp cắt lớp đo bề dày 1.3 Phân tích kết cấu hệ thống đo giao thoa sử dụng điều biến pha không gian để đo biên dạng, chụp cắt lớp đo bề dày 1.4 Các yêu cầu kỹ thuật thiết kế hệ thống đo giao thoa sử dụng điều biến pha không gian để đo biên dạng, chụp cắt lớp đo bề dày Phần 2: Nghiên cứu, xây dựng mơ hình sở mã hóa pha khơng gian (Spatial phase modulator) áp dụng cho nguồn sáng hệ thống 2.1 Phép đo giao thoa ánh sáng trắng có khả thực phép đo thời gian thực .9 2.2 Lý thuyết chung cách tử nhiễu xạ 10 2.2.1 Giới thiệu phân loại cách tử quang nhiễu xạ 10 2.2.2 Lý thuyết tính tốn cách tử quang nhiễu xạ 12 2.2.3 Lựa chọn cách tử quang phù hợp .15 Phần 3: Nghiên cứu, xây dựng mơ hình laser xung lược việc mở rộng khoảng cách đo cho hệ thống đo giao thoa 18 3.1 Mục đích nghiên cứu: 18 3.2 Lý thuyết cộng hưởng Fabry-Perot cho ánh sáng dải rộng: phương trình tốn học 18 3.3 Thiết kế, lựa chọn cộng hưởng FP phù hợp cho mục đích tăng khoảng cách đo .19 3.4 Cách thức nội suy hệ số bậc giao thoa sử dung cộng hưởng FP: cách: góc nghiêng, thay đổi chiết suất, bước sóng 22 3.4.1 Cơ sở lý thuyết 22 3.4.2 Ba phương pháp thay đổi giá trị FSR để xác định bậc vân giao thoa 22 Phần 4: Nghiên cứu, tính tốn khả phóng to thu nhỏ phạm vi đo theo phương chiều sâu việc sử dụng bậc khác mã hóa pha khơng gian hệ đo 26 4.1 Nguyên lý đo hệ thống đo giao thoa sử dụng điều biến pha không gian 26 4.2 Khả phóng to thu nhỏ .28 Phần 5: Nghiên cứu, xây dựng giao diện người sử dụng để điều khiển CCD Camera, đồng thời hiển thị vạch giao thoa hình 30 5.1 Mục đích chuyên đề: 30 5.2 Yêu cầu hiển thị thông số đo phần mềm .30 5.3 Lựa chọn CCD camera nghiên cứu thư viện SDK camera để xây dựng phần mềm hiển thị lưu kết đo 30 5.3.1 Lựa chọn CCD camera .30 5.3.2 Xây dựng sơ đồ thuật giải 31 5.3.4 Xây dựng phần mềm hiển thị kết đo 34 Phần 6: Xây dựng ảnh 3D cho biên dạng vật 36 Phần 7: Thực nghiệm, Kết luận, hướng phát triển .36 Tài liệu tham khảo .36 Phần 1: Tổng quan đề tài 1.1 Tổng quan phương pháp để đo biên dạng, chụp cắt lớp đo bề dày 1.1.1 Tổng quan nghiên cứu nước Đo biên dạng đo bên bề mặt toán đặt nhiều lĩnh vực, bao gồm y học, sinh học công nghiệp Trong sản xuất công nghiệp việc đánh giá kiểm tra chất lượng sản phẩm, tìm lỗi chi tiết khí (đặc biệt trình sản xuất) yếu tố then chốt để đảm bảo chất lượng sản phẩm Phương pháp đo tiếp xúc sử dụng máy đo tọa độ CMM [1,2] phương pháp sử dụng phổ biến để đo biên dạng bề mặt khí Các nghiên cứu CMM tập trung theo hướng nâng cao khả vận hành [3] nâng cao độ xác [4,5] Đây phương pháp đo tiếp xúc lấy liệu điểm, để xây dựng biên dạng vật đo cần nhiều phép đo Do thời gian để đo biên dạng chi tiết sử dụng phương pháp lớn Hơn phương pháp đo tiếp xúc, khơng thể áp dụng để kiểm tra sản phẩm dây truyền sản xuất Phương pháp đo khơng tiếp sử dụng khí nén giới thiệu để đo đường kính lỗ nhỏ khoảng cách nhỏ [6] Từ tập hợp khoảng cách ta xây dựng lên biên dạng vật đo Tuy nhiên, thời gian đo phương pháp cản trở cảm biến sử dụng khí nén có độ trễ so với cảm biến điện Thời gian gần đây, số nghiên cứu phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc để đo quyét biên dạng 2D, 3D số nhóm nghiên cứu giới thiệu [7,8] Ưu điểm phương pháp đo không tiếp xúc, tốc độ đo cao, phạm vi đo lớn Tuy nhiên, độ phân giải phương pháp đạt thường không cao, thường ngưỡng mm Do khơng thể sử dụng để kiểm tra biên dạng chi tiết khí (thường yêu cầu độ xác gia cơng cỡ 0.01 mm) Năm 2018, hệ đo giao thoa sử dụng điều biến tần số pha theo thời gian [9] giới thiệu để ứng dụng dịch chuyển nhỏ Phương pháp đo giao thoa cho độ phân giải cao Tuy nhiên, hạn chế phương pháp phạm vi đo hẹp nên ứng dụng để đo dịch chuyển Một thách thức với phương pháp tăng phạm vi đo hệ thống lên cỡ mm để sử dụng đo kiểm tra biên dạng bề mặt cho sản phẩm công nghiệp mà đảm bảo độ phân giải cỡ micromet Bên cạnh hệ đo có khả phóng to- thu nhỏ bề mặt hữu dụng cho việc kiểm tra bất thường biên dạng bề mặt cách linh động hiệu Do đó, nghiên cứu nhằm tăng phạm vi đo hệ đo giao thoa đảm bảo độ phân giải cao cần thiết cho việc đo kiểm công nghiệp Cho đến nay, gần chưa có cơng bố nước hệ đo giao thoa sử dụng điều biến pha không gian dùng để đo biên dạng 2D chi tiết khí chụp cắt lớp đo chiều dày thủy tinh mỏng 1.1.2 Tổng quan nghiên cứu ngồi nước Trên giới, có nghiều nghiên cứu đo biên dạng bề mặt đo bên bề mặt Các phương pháp kính hiển vi điện tử quyét (optical scanning microscope[10]), máy quét xử lý pha laser (Phase shifting microscope [11]) sử dụng phổ biến để đo biên dạng bề mặt Những phương pháp cho độ phân giải tốt Tuy nhiên cần thêm dịch chuyển thấu kính [10] động áp điện (PZT [11]) để thu biên dạng 2D Do thời gian để đo xây dựng biên dạng 2D phương pháp cần phải cải tiến Một số phương pháp đo bên bề mặt công nghệ siêu âm [12], xquang [13], cộng hưởng từ [14] Mỗi phương pháp kể có ưu nhược điểm phạm vi sử dụng riêng Phương pháp siêu âm có ưu điểm dải đo lớn, tốc độ đo nhanh, nhiên độ xác khơng cao nên hạn chế sử dụng để đo đối tượng có kích thước nhỏ (< 100 micrometer) Phương pháp x-ray có độ xác cao hơn, nhiên bị hạn chế với đối tượng phản xạ tia X thủy tinh, nữa, tia X có tác dụng không tốt với vật liệu sinh học Một số phương pháp đo ứng dụng laser đo khoảng cách dựa độ trễ xung ánh sáng (time of flight :TOF) dựa nguyên lý tam giác đạt (triangulation sensor) có hạn chế về độ xác [15] vùng mù mẫu đo [16] Để vượt qua rào cản độ xác, tính phá hủy mẫu vùng mù mẫu đo, thập kỷ gần đây, phương pháp chụp giao thoa quang học (optical coherent tomography (OCT) [17]) thu hút nhiều quan tâm nhà nghiên cứu giới đặc tính độ xác cao (~1 micrometer), khơng phá hủy mẫu cung cấp thông tin mẫu đo theo phương ngang phương chiều sâu (depth information) Nhiều phiên đo OCT nghiên cứu phát triển [18,19] phục vụ nhiều lĩnh vực Tại thời điểm tại, máy đo OCT chịu hạn chế lớn tốc độ đo, khó ứng dụng cơng nghiệp, nơi mà ngồi tiêu chí độ xác cao, khơng phá hủy mẫu tốc độ đo nhanh, làm việc với môi trường ẩm ướt, chịu rung động… quan trọng, định hiệu suất làm việc hệ thống 1.2 Phân tích ưu nhược điểm phương pháp đo giao thoa sử dụng điều biến pha không gian để đo biên dạng, chụp cắt lớp đo bề dày Một số nghiên cứu giới giới thiệu giải pháp để giải toán tốc độ đo máy OCT sử dụng laser xung lược [20] ánh sáng dải siêu rộng (super-continuum light [21]) Tốc độ đo độ phân giải cải thiện, nhiên thiết bị đắt tiền hệ thống phức tạp Trong nghiên cứu trước nhóm, chúng tơi phát triển hệ thống đo giao thoa ánh sáng thời gian thực sử dụng phương pháp mã hóa khơng gian pha kết hợp với cộng hưởng VIPA (Virtually Imaged Phase Array) [22] kết hợp sử dụng với nguồn giả xung lược tần số [23] Hệ thống đáp ứng yêu cầu đo thời gian thực, nhiên, hệ thống có nhược điểm tính tốn bậc tín hiệu giao thoa nhằm đưa kích thước thật vật cần đo Như vậy, hướng nghiên cứu giới theo hướng nâng cao phạm vi đo nâng cao độ phân giải hệ đo giao thoa sử dụng đo biên dạng 2D, chụp cắt lớp (các hệ OCT) Nhằm nắm bắt hướng nghiên cứu giới, nhóm tác giả đưa phương án chế tạo thiết bị nhằm tạo máy đo OCT ứng dụng vào công nghiệp để đo biên dạng 2D chi tiết chụp cắt lớp đo chiều thủy tinh mỏng nhằm đáp ứng tiêu chí độ xác cao, phạm vi đo, khơng phá hủy mẫu, có khả đo thời thực, có khả phóng to thu nhỏ theo phương chiều sâu (axial optical zooming) [24] nhằm giúp cho việc kiểm tra mẫu đo phát lỗi chi tiết đo Trong nội dung nghiên cứu đề tài này, nhóm tác giả tập trung vào việc tính toán nghiên cứu kết hợp sử dụng nguồn supper contimumm (SC light source) với FP-etalon để tạo nguồn ánh sáng xung lược nhằm tăng phạm vi đo hệ thống đo giao thoa Bên cạnh đó, việc khảo sát đặc tính chiều sâu đo với bậc khác điều biến pha quang học tính tốn nghiên cứu để tạo độ phóng đại khác theo phương chiều sâu vật giúp tăng phạm vi đo thu nhỏ phát lỗi bất thường bề mặt vật phóng đại 1.3 Phân tích kết cấu hệ thống đo giao thoa sử dụng điều biến pha không gian để đo biên dạng, chụp cắt lớp đo bề dày  Sơ đồ nguyên lý hệ thống đo Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống đo Hình (topview) thể sơ đồ nguyên lý hệ thống đo biên dạng chụp cắt lớp single-shot Nguồn sáng SC (supercontinuum), tạo xung nuôi nanosecond bước sóng 1100 nm sợi quang đặc biệt (photonics crystal fiber (PCF)) repetition rate of 78 MHz 20 KHz, sử dụng nguồn sáng dải rộng Ánh sáng từ nguồn SC dải bước sóng từ 400 nm đến 2400nm Trong phạm vi đề tài này, tác giả sử dụng vùng ánh sáng nhìn thấy (có dải bước sóng từ 550 nm đến 750 nm) Để tăng phạm vi đo hệ thống, kỹ thuật xung lược tần số áp dụng hệ thống việc đặt buồng cộng hưởng (FP cavity) đầu nguồn SC Do ánh sáng vào hệ thống ánh sáng lược tần số Để tăng tối ưu hóa phạm vi đo hệ thống ánh sáng truyền qua beam expander có tác dụng mở rộng đường kính chùm sáng từ 1mm đến 10mm Bản chất beam expander sử dụng cặp thấu kính hội tụ (phương pháp Keppler thấu kính hội tụ thấu kính phân kỳ (phương pháp Galileo) để khuếch đại đường kính chùm tia tới Chùm sáng sau mở rộng đường kính đưa tới tách tia tia sáng tách thành hai chùm theo hai nhánh vng góc với - Ở nhánh (nhánh tham chiếu) chùm tia tới điều biến pha không gian (cách tử) Chùm sáng tới bị nhiễu xạ theo nhiều phương khác Bằng cách quay cách tử ta chọn chùm nhiễu xạ quay lại tách tia - Ở nhánh lại (nhánh đo) chùm tia tới mẫu đo bị phản xạ tán xạ ngược trở lại tách tia Trong sơ đồ nguyên lý (hình 1), ta thấy hai hai nhánh tham chiếu đặt thấu kính với nguyên lý 4-f Các thấu kính giúp ta thu nhiều tín hiệu phản xạ từ vật đo cách tử, qua làm tăng cường độ vân giao thoa quan sát CCD Các chùm nhiễu xạ tán xạ từ cách tử mẫu đo gặp tách tia vào cảm biến CCD Ta quan sát vân giao thoa CCD chùm tia từ nhánh tham chiếu nhánh đo giao thoa với Điều kiện giao thoa hiệu quang lộ hai chùm nằm phạm vi đo Với cách vị trí khác biên dạng vật đo, ta thu vân giao thoa vịt trí khác CCD Hình 1.2 Mô 3D hệ thống đo 1.4 Các yêu cầu kỹ thuật thiết kế hệ thống đo giao thoa sử dụng điều biến pha không gian để đo biên dạng, chụp cắt lớp đo bề dày Việc đo chất lượng bề mặt (surface profile) phát khuyết tật bên (bên dưới) bề mặt vật liệu cần thiết công nghiệp, y sinh lĩnh vực công nghệ khác Trong công nghiệp, đặc thù sản phẩm chạy dây chuyền cách liên tục nên để áp dụng công nghiệp, yêu cầu sau cần phải thỏa mãn: - Độ xác cao: < µm - Thời gian đo nhanh: quan sát lưu kết đo thời gian thực - Khoảng cách đo lớn: bề dầy mẫu > 10 mm - Khoảng cách từ đầu đo đến mẫu lớn: thuận lợi thiết kết, cài đặt - Không phá hủy mẫu Thông thường, để đo bên vật liệu, mẫu cần cắt ngang, sau dùng kính hiển vi để quan sát bề mặt cắt Điều có số vấn đề như: mẫu bị phá hủy, thời gian hiệu suất không cao Các phương pháp phổ biến để đo bề mặt bên vật liệu dùng camera, dùng kính hiển vi điện tử (microscopy) hay cảm biến đầu dò (scanning proble microscopy) , chụp X-ray, hay chụp cắt lớp OCT (Optical coherence tomography) có hạn chế sử dụng cơng nghiệp độ xác thấp, thời gian đo lâu, phá hủy mẫu, nhạy cảm với rung động mẫu đo Do đó, việc phát triển thiết bị đo có khả đo bề mặt, bên bề mặt đảm bảo yêu cầu kể cần thiết Phần 2: Nghiên cứu, xây dựng mơ hình sở mã hóa pha khơng gian (Spatial phase modulator) áp dụng cho nguồn sáng hệ thống 2.1 Phép đo giao thoa ánh sáng trắng có khả thực phép đo thời gian thực Hình 2.1 Sơ đồ đo phương pháp giao thoa ánh sáng trắng Michelson truyền thống Ánh sáng từ nguồn (nguồn sáng dải rộng nguồn sáng trắng) chiếu tới tách tia Tại đây, nguồn sáng chia làm hai tia: Một tia truyền tới gương phản xạ M (chùm tham chiếu); Một tia truyền tới bề mặt mẫu đo (chùm đo) Tia phản xạ từ gương M mẫu đo quay trở lại tách tia giao thoa với Tín hiệu giao thoa thu vào phận phát (Detector) Khi hiệu quang lộ chùm tham chiếu chùm đo nhỏ chiều dài kết hợp nguồn sáng ta quan sát tín hiệu giao thoa phát Đối với phương pháp đo có ưu điểm đo với độ phân giải cao nhiên phạm vi đo (hiệu quang lộ nhánh tham chiếu nhánh đo) bịgiới hạn dài kết hợp nguồn sáng (cỡ m) Do để đo mẫu có kích thước lớn độ dài kết hợp nguồn sáng cần thiết kế cấu di chuyển vật đo theo phương X,Y,Z để quyét toàn biên dạng vật cần đo Để cải thiện vấn đề này, xây dựng hệ đo dựa phương pháp giao thoa kế Michelson kết hợp với mã hóa pha khơng gian (spatial phase modulator) Hình 2.2 Sơ đồ hệ đo phương pháp giao thoa đề xuất 2.2 Lý thuyết chung cách tử nhiễu xạ 2.2.1 Giới thiệu phân loại cách tử quang nhiễu xạ a Khái niệm Cách tử quang (cách tử nhiễu xạ) dụng cụ quang học tạo nhiễu xạ có chùm ánh sáng chiếu đến Cách tử nhiễu xạ làm việc phép chuyển đổi Fuorier, tách sóng tới miền thời gian thành dạng sóng riêng lẻ miền tần số, tần số bị lệch theo phương khác Nguyên tắc hoạt động cách tử quang tương tự lăng kính: truyền đến bề mặt chùm tia tới (với nhiều bước song) bị khúc xạ, phản xạ theo nhiều hướng khác Điểm khác với cách tử nhiễu xạ với chùm tia tới chùm phản xạ (0th Order) nhiều chùm nhiễu xạ với hướng khác b Phân loại Về 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) Ngồi nhiều ta 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) (hình 2.3 (a)) - Cách tử nhiễu xạ dạng khắc vạch dạng Blaze (hình 2.3 (b))