Nghiên cứu phương pháp xác định profile bề mặt chi tiết gia công cơ khí bằng ảnh kỹ thuật số

DANH MỤC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU Bản đồ chiều sâu: Ma trận m hàng, n cột chứa thông tin khoảng cách từ điểm / mặt phẳng quy ước đến các điểm [1mΔx, 1nΔy] trên bề Z[1mΔx,1nΔ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS NGUYỄN THỊ PHƯƠNG MAI

Hµ NéI - 2015

Tôi xin cam đoan luận án này là công trình khoa học do chính tôi nghiên cứu Các kết quả công bố là trung thực và không trùng với một công trình khoa học nào khác

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Hoàng Tùng

Để hoàn thành bản luận án này tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của rất nhiều cá nhân và tập thể trong và ngoài Bộ môn Cơ khí chính xác và Quang học - Viện Cơ khí - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Tôi xin bày tỏ lời cảm

ơn chân thành của mình đối với những giúp đỡ quý giá đó

Lời đầu tiên tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới cô giáo PGS.TS Nguyễn Thị Phương Mai và thầy giáo TS Nguyễn Văn Vinh, những người đã hết sức tận tâm chỉ bảo, hướng dẫn tận tình cho tôi không chỉ trong quá trình thực hiện luận

án

Xin gửi lời cảm ơn tới các thầy giáo, cô giáo và toàn thể cán bộ làm việc tại

Bộ môn Cơ khí chính xác và Quang học - Viện Cơ khí - Trường ĐH Bách khoa

Hà Nội đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện bản luận án Nhân dịp này, tôi cũng xin bày tỏ lời cảm ơn tới các Thủ trưởng, các phòng ban chức năng thuộc Viện Công nghệ - Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng; lãnh đạo chỉ huy, và đồng nghiệp tại Trung tâm Đo lường - Viện Công nghệ - Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng, nơi tôi đang công tác, đã tạo điều kiện cho tôi về thời gian, và sự động viên tinh thần rất quý giá

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, những người thân, và bạn bè

đã giúp đỡ, động viên để tôi có thể hoàn thành luận án này

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Hoàng Tùng

Trang

DANH MỤC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU 1

DANH MỤC NG 4

DANH MỤC HÌNH 5

MỞ ĐẦU 10

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐO LƯỜNG PROFILE Ề MẶT CHI TIẾT CƠ KHÍ 14

1.1 Đánh giá chất lượng và độ chính xác của chi tiết cơ khí qua profile bề mặt 14

1.2 Các thông số đánh giá profile bề mặt 16

1.2.1 Thông số nhám 2D 17

1.2.2 Thông số nhám 3D 17

1.3 Các phương pháp đo profile bề mặt 22

1.3.1 Phương pháp chép hình 23

1.3.2 Phương pháp đo theo mặt 26

1.3.3 Phương pháp dùng kính hiển vi đo quét 32

1.3.4 Xác định chiều sâu từ độ nhòe ảnh 36

1.4 Kết luận chương 47

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THUẬT TOÁN TÁI HIỆN PROFILE BA CHIỀU 49

2.1 Cơ sở lý thuyết 49

2.1.1 Mô hình hóa ảnh đơn giản nhất 49

2.1.2 Mô hình nhòe dưới dạng quá trình khuếch tán 54

2.1.3 Mô hình tính toán sử dụng độ nhòe ảnh 58

2.2 Phương pháp xây dựng lại profile / biên dạng 60

2.3 Hiệu chuẩn thuật toán 67

2.3.1 Tính toán các bề mặt giả định để kiểm tra thuật toán 67

2.3.2 Khảo sát độ chính xác của bề mặt khi thay đổi số bước lặp, trong trường hợp bề mặt dạng dốc 70

2.3.3 Khảo sát độ chính xác của bề mặt khi thay đổi khoảng cách giữa 2 ảnh nhòe, trong trường hợp bề mặt dạng phẳng 74

2.4 Kết luận chương 78

TOÁN CHO KÍNH HIỂN VI KỸ THUẬT SỐ 79

3.1 Nguyên lý hệ hiển vi k thuật số 79

3.2 Xây dựng cơ sở tính toán chuyển đổi tín hiệu đo trong hệ quang đối với từng điểm sáng trên bề mặt đo 79

3.2.1 Khi điểm sáng trên bề mặt đo nằm đúng mặt phẳng vật của thấu kính tương đương 80

3.2.2 Khi điểm sáng trên bề mặt đo nằm ngoài tiêu cự của thấu kính tương đương 80

3.2.3 Khi điểm sáng trên bề mặt đo nằm trong tiêu cự của thấu kính tương đương 82

3.3 Tính toán thông số của kính hiển vi k thuật số 84

3.4 Tính toán các thông số k thuật của kính hiển vi tích hợp vật kính Mitutoyo 375-037-1 và CMOS ký hiệu Touptek UCMOS 4000KPA TP614000A 87

3.4.1 Vùng quan sát trên bề mặt vật của kính hiển vi 87

3.4.2 Xác định độ phóng đại trên màn hình 87

3.4.3 Xác định tiêu cự f của vật kính, khoảng cách từ vật và CMOS đến vật kính của kính hiển vi 88

3.4.4 Tính đường kính tương đương của vật kính 90

3.4.5 Tính số lượng điểm ảnh bị chiếm trên màn thu CMOS khi một điểm sáng trên bề mặt vật đi qua kính hiển vi 90

3.5 Kết luận chương 91

Chương 4 THỰC NGHIỆM, KIỂM CHỨNG VÀ KẾT QU 92

4.1 Mục đích thực nghiệm 92

4.2 Mô hình thực nghiệm 92

4.2.1 Kính hiển vi k thuật số Mitutoyo MF-B4020C 92

4.2.2 Các thông số thực nghiệm 93

4.3 Đối tượng thực nghiệm 94

4.3.1 ộ căn mẫu 94

4.3.2 Tấm chuẩn độ nhám 94

4.3.3 Một số chi tiết vi cơ 95

4.3.4 Thước kính chuẩn 96

4.4 Thực nghiệm mô tả lại profile khu vực ranh giới giữa 2 miếng căn mẫu 97

4.5 Thực nghiệm mô tả lại profile tấm chuẩn độ nhám 103

4.5.2 Profile tấm chuẩn độ nhám (gia công bằng phương pháp phay

đứng) 108

4.6 Thực nghiệm mô tả lại profile chi tiết vi cơ 112

4.6.1 Chi tiết vi cơ số 1 112

4.6.2 Chi tiết vi cơ số 2 113

4.6.3 Chi tiết vi cơ số 3 114

4.7 Thực nghiệm mô tả lại một vùng thước kính chuẩn 116

4.8 Sai số và bù sai số trong kính hiển vi k thuật số 118

4.8.1 Một số sai số trong kính hiển vi k thuật số 118

4.8.2 ù sai số trong kính hiển vi k thuật số khi đo bề mặt dạng bậc 119

4.8.3 ù sai số trong kính hiển vi k thuật số khi đo bề mặt dạng tấm chuẩn độ nhám có Ra 12,5 m đến Ra 3,2 m 123

4.9 Kết luận chương 125

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 126

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG Ố CỦA LUẬN ÁN 127

TÀI LIỆU THAM KH O 128

DANH MỤC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU

Bản đồ chiều sâu: Ma trận (m hàng,

n cột) chứa thông tin khoảng cách

từ điểm / mặt phẳng quy ước đến các

điểm [(1m)Δx, (1n)Δy] trên bề

Z[(1m)Δx,(1n)Δy]

: Depth of map

Chiều sâu từ độ sắc nét (DFF):

phương pháp xác định bản đồ chiều

sâu từ loạt hình ảnh bề mặt vật có độ

nét khác nhau, chụp được khi thay

đổi khoảng cách giữa hệ quang và bề

mặt vật

: Depth from focus

Chiều sâu từ độ nhòe ảnh (DFD):

phương pháp xác định bản đồ chiều

sâu từ độ nhòe ảnh của các điểm trên

bề mặt vật, thu được qua hai hay

nhiều hơn hai ảnh nhòe

: Depth from defocus

Chiều sâu từ 2 ảnh nổi (DFS):

phương pháp xác định bản đồ chiều

sâu bề mặt vật từ 2 ảnh chụp bề mặt

vật ở 2 vị trí khác nhau

: Depth from Stereo

Kính hiển vi kỹ thuật số: kính hiển

vi quang học ghép nối với cảm biến

hình ảnh quang điện tử (CCD) sử

dụng chụp ảnh kỹ thuật số của bề

mặt quan sát qua hệ hiển vi

: Digital microscopy

Kính hiển vi điện tử truyền qua

0 : Quang thông tại mọi điểm trên bề mặt vật đo

ftd : Tiêu cự của thấu kính tương đương

u0 : Khoảng cách từ mặt phẳng vật đến thấu kính tương đương

v0 : Khoảng cách từ thấu kính tương đương đến màn thu

Rtd : Bán kính của thấu kính tương đương

r : Bán kính vòng tròn mờ

thu : Quang thông nhận được trên bề mặt tế bào thu

U thu : Điện áp ra của quang điện trở

M Q : Độ phóng đại quang

aCMOS : chiều dài ma trận thu CMOS

bCMOS : chiều rộng ma trận thu CMOS

aQS : Chiều dài vùng quan sát trên bề mặt vật

bQS : Chiều rộng vùng quan sát trên bề mặt vật

LP/mm : Cặp dòng cho mỗi mm

Res : Khoảng cách nhỏ nhất giữa 2 điểm vật mà kính hiển vi phân biệt được

gọi là Độ phân giải quang

DANH MỤC BẢNG

Trang

Bảng 4.1 : ả n g ng n cao 98 Bảng 4.2 : ả n ả n n 111 Bảng 4.3 : ả ảng n n

n n 115 Bảng 4.4 : ả ng n n g ng n

cao ng n 120 Bảng 4 : ng ng ảng n cao 121 Bảng 4 : ả ng n n g ng n

cao ả 122 Bảng 4 : ả ng n n ả n

Bảng 4 : ng ng ảng n g 124 Bảng 4 : ả ng n g

DANH MỤC HÌNH

Trang Chương 1

Hình 1.1 Sai lệch hình dạng, sóng và nhám trong profile bề mặt 14

Hình 1.2: a) Profile bề mặt nguyên thủy, b) Profile sóng và profile nhám 15

Hình 1.3: Phân loại các thông số nhám bề mặt 16

Hình 1.4: Thành phần cơ bản của profile nhám bề mặt 17

Hình 1.5 : Bộ 14 thông số 3D Birmingham 18

Hình 1.6: Mô tả bề mặt 3D 19

Hình 1.7: Lưới điểm số hoá bề mặt 3D 19

Hình 1.8 Sơ đồ khối thiết bị đo chép hình bằng đầu dò tiếp xúc 24

Hình 1.9 Nguyên lý đo tiếp xúc bằng đầu dò 24

Hình 1.10 Nguyên lý đo tam giác đạc 25

Hình 1.11 Nguyên lý đo tự động dò điểm hội tụ 26

Hình 1.12 Nguyên lý đo tán xạ tích phân toàn phần 27

Hình 1.13 Giao thoa kế dịch pha PSI 28

Hình 1.14 Hệ giao thoa Mirau 29

Hình 1.15 Hệ giao thoa Linnik 29

Hình 1.16 Nguyên lý đo nhám bề mặt theo tiêu điểm thay đổi 30

Hình 1.17: Nguyên lý hoạt động của kính hiển vi đường ngầm với điện áp không đổi 34

Hình 1.18: Nguyên lý hoạt động của kính hiển vi đường ngầm với chiều cao z không đổi 34

Hình 1.19: Đám mây electron giữa bề mặt và đầu đo trong kính hiển vi đường ngầm 34

Hình 1.20: a) AFM sử dụng hệ STM , b) AFM sử dụng hệ thống quang học 35

Hình 1.21: Sơ đồ quang hình giải thích mờ do nhòe ảnh 36

Hình 1.22 Hai ảnh cùng chụp một đối tượng chỉ khác nhau độ sâu trường ảnh 38

Hình 1.23: Ảnh của điểm P tại hai mặt phẳng thu ảnh 41

Hình 1.24: Sử dụng khẩu độ tại mặt phẳng tiêu phía trước thấu kính giữ nguyên độ phóng đại 42

Hình 1.25: Quan hệ giữa hệ số độ nét q với độ nhòe ảnh α 43

Hình 1.26: Hệ hai ống kính tiêu cự thay đổi 44

Hình 1.27: Chiều sâu tính toán từ độ sắc nét 46

Hình 1.28: Ước lượng bán kính mờ 47

Chương 2 Hình 2.1 Biểu diễn hình học của hình ảnh bề mặt đo liên tục, không phẳng Các hình nón của các tia sáng chệch hướng bởi thấu kính tới điểm y trên mặt phẳng ảnh, cắt bề mặt s trên vùng Ψ Tổng các đóng góp năng lượng từ hình nón xác định cường độ đo được tại các điểm y 53

Hình 2.2 Hình ảnh phân phối nhiệt, mờ bởi sự khuếch tán (Sự chói sáng của mặt phẳng có thể được giải thích như phân bố nhiệt trên một tấm kim loại Khuếch tán gây ra phân bố mờ) 54

Hình 2.3 Hàm nhòe điểm, phép đo gần đúng của hàm nhòe điểm bằng cách lấy hình ảnh của nguồn ánh sáng nhỏ ở rất xa Đối với khẩu độ lớn (trên) các PSF được xấp xỉ bằng hình trụ trơn, nhưng khi độ mở ống kính trở nên nhỏ hơn (dưới) các PSF được xấp xỉ bởi hàm Gauss 55

Hình 2.4 Nguyên lý của phương pháp 60

Hình 2.5 Nguyên lý trong trường hợp a 62

Hình 2.6 Nguyên lý trong trường hợp b 62

Hình 2.7 Nguyên lý trong trường hợp c 63

Hình 2.8 Nguyên lý trong trường hợp d 63

Hình 2.9 Mô hình hóa kết cấu các miền khác nhau 68

Hình 2.10 Mô hình kết cấu ngẫu nhiên 68

Hình 2.11 Hai hình ảnh nhòe của bề mặt dốc 68

Hình 2.12 Hai hình ảnh nhòe của bề mặt phẳng 69

Hình 2.13 Hai hình ảnh nhòe của cùng bề mặt dốc 70

Hình 2.14 Một số bề mặt tính toán với số bước lặp β khác nhau (β=10 đến 2000 lần) 71

Hình 2.15 Hình ảnh bản đồ sai số bề mặt giả định và một số bề mặt tính toán với số bước lặp β khác nhau (β=10 đến 2000 lần) 72

Hình 2.16 Mối quan hệ giữa Log(Trung bình bình phương lỗi) với số bước lặp β 73

Hình 2.17 Hai hình ảnh nhòe của bề mặt phẳng 74

Hình 2.18 Bản đồ chiều sâu khi u2 = 70,44 mm đến u2 = 70,29 mm 75

Hình 2.19 Bản đồ lỗi khi u2 = 70,44 mm đến u2 = 70,29 mm 76

Hình 2.20 Quan hệ giữa Log(Trung bình bình phương lỗi) với khoảng

cách giữa 2 b c ảnh nhòe 77

Chương 3 Hình 3.1 Chiếu và chụp bằng kính hiển vi 79

Hình 3.2 Khi điểm sáng O1 nằm đúng mặt phẳng vật của thấu kính tương đương 80

Hình 3.3 Khi điểm sáng O2 nằm trong tiêu cự của thấu kính tương đương 82

Hình 3.4 Thiết bị xác định tiêu cự của vật kính 88

Hình 3.5 Màn hình đo tiêu cự của vật kính Mitutoyo 375-037-1 trên phần mềm chuyên dụng 89

Chương 4 Hình 4.1 Kính hiển vi kỹ thuật số Mitutoyo MF-B4020C 92

Hình 4.2 Các thông số đại diện cho hệ quang của kính hiển vi kỹ thuật số Mitutoyo MF-B4020C tích hợp vật kính Mitutoyo 375-037-1 93

Hình 4.3 Bộ căn mẫu cấp 1 do Cộng hòa dân chủ Đ c chế tạo 94

Hình 4.4 Bộ tấm chuẩn độ nhám Flexbar số 16008 95

Hình 4.5 Một số chi tiết vi cơ 95

Hình 4.6 Thước kính chuẩn 96

Hình 4.7 Sơ đồ tạo chênh lệch chiều cao giữa 2 miếng căn mẫu 97

Hình 4.8 Hình ảnh nhòe khu vực ranh giới giữa 2 miếng căn mẫu có cao = 0,5 mm khi khoảng cách giữa bề mặt chuẩn và kính hiển vi ở hai lần chụp cách nhau 0,05 mm 99

Hình 4.9 Profile bề mặt 3D khu vực ranh giới giữa 2 miếng căn mẫu có cao = 0,5 mm 99

Hình 4.10 Hình ảnh nhòe khu vực ranh giới giữa 2 miếng căn mẫu có cao = 0,1 mm khi khoảng cách giữa bề mặt chuẩn và kính hiển vi ở hai lần chụp cách nhau 0,05 mm 100

Hình 4.11 Profile bề mặt 3D khu vực ranh giới giữa 2 miếng căn mẫu có cao = 0,1 mm 100

Hình 4.12 Hình ảnh nhòe khu vực ranh giới giữa 2 miếng căn mẫu có

cao = 0,04 mm khi khoảng cách giữa bề mặt chuẩn và kính hiển vi ở hai lần chụp cách nhau 0,05 mm 101 Hình 4.13 Profile bề mặt 3D khu vực ranh giới giữa 2 miếng căn mẫu có

cao=0,04 mm 101 Hình 4.14 Hình ảnh nhòe khu vực ranh giới giữa 2 miếng căn mẫu có

cao = 0,01 mm khi khoảng cách giữa bề mặt chuẩn và kính hiển vi ở hai lần chụp cách nhau 0,05 mm 102 Hình 4.15 Profile bề mặt 3D khu vực ranh giới giữa 2 miếng căn mẫu có

cao=0,01 mm 102 Hình 4.16 Sai lệch chênh lệch chiều cao giữa 2 miếng căn mẫu 103 Hình 4.17 Sơ đồ chụp profile tấm chuẩn độ nhám 104 Hình 4.18 Hình ảnh nhòe của profile tấm chuẩn độ nhám gia công bằng phương pháp tiện có Ra 12,5 m khi khoảng cách giữa bề mặt chuẩn và kính hiển vi ở hai lần chụp cách nhau 0,05 mm 105 Hình 4.19 Profile bề mặt 3D của profile tấm chuẩn độ nhám gia công bằng phương pháp tiện có Ra 12,5 m 105 Hình 4.20 Hình ảnh nhòe của profile tấm chuẩn độ nhám gia công bằng phương pháp tiện có Ra 6,3 m khi khoảng cách giữa bề mặt chuẩn và kính hiển vi ở hai lần chụp cách nhau 0,05 mm 106 Hình 4.21 Profile bề mặt 3D của profile tấm chuẩn độ nhám gia công bằng phương pháp tiện có Ra 6,3 m 106 Hình 4.22 Hình ảnh nhòe của profile tấm chuẩn độ nhám gia công bằng phương pháp tiện có Ra 3,2 m khi khoảng cách giữa bề mặt chuẩn và kính hiển vi ở hai lần chụp cách nhau 0,05 mm 107 Hình 4.23 Profile bề mặt 3D của profile tấm chuẩn độ nhám gia công bằng phương pháp tiện có Ra 3,2 m 107 Hình 4.24 Hình ảnh nhòe của profile tấm chuẩn độ nhám gia công bằng phương pháp phay đ ng có Ra 12,5 m khi khoảng cách giữa bề mặt chuẩn và kính hiển vi ở hai lần chụp cách nhau 0,05 mm 108 Hình 4.25 Profile bề mặt 3D của profile tấm chuẩn độ nhám gia công bằng phương pháp phay đ ng có Ra 12,5 m 108

Hình 4.26 Hình ảnh nhòe của profile tấm chuẩn độ nhám gia công bằng phương pháp phay đ ng có Ra 6,3 m khi khoảng cách giữa bề mặt chuẩn và kính hiển vi ở hai lần chụp cách nhau 0,05 mm 109 Hình 4.27 Profile bề mặt 3D của profile tấm chuẩn độ nhám gia công bằng phương pháp phay đ ng có Ra 6,3 m 109 Hình 4.28 Hình ảnh nhòe của profile tấm chuẩn độ nhám gia công bằng phương pháp phay đ ng có Ra 3,2 m khi khoảng cách giữa bề mặt chuẩn và kính hiển vi ở hai lần chụp cách nhau 0,05 mm 110 Hình 4.29 Profile bề mặt 3D của profile tấm chuẩn độ nhám gia công bằng phương pháp phay đ ng có Ra 3,2 m 110 Hình 4.30 Hình ảnh nhòe của chi tiết vi cơ số 1 khi khoảng cách giữa bề mặt chuẩn và kính hiển vi ở hai lần chụp cách nhau 0,05 mm 112 Hình 4.31 Profile bề mặt 3D của chi tiết vi cơ số 1 112 Hình 4.32 Hình ảnh nhòe của chi tiết vi cơ số 2 khi khoảng cách giữa bề mặt chuẩn và kính hiển vi ở hai lần chụp cách nhau 0,05 mm 113 Hình 4.33 Profile bề mặt 3D của chi tiết vi cơ số 2 113 Hình 4.34 Hình ảnh nhòe của chi tiết vi cơ số 3 khi khoảng cách giữa bề mặt chuẩn và kính hiển vi ở hai lần chụp cách nhau 0,05 mm 114 Hình 4.35 Profile bề mặt 3D của chi tiết vi cơ số 3 114 Hình 4.36 Sơ đồ gá đặt thước kính trên kính hiển vi 116 Hình 4.37 Hình ảnh nhòe của vùng thước kính chuẩn khi khoảng cách

giữa bề mặt chuẩn và kính hiển vi ở hai lần chụp cách nhau 0,05 mm 116 Hình 4.38 Profile bề mặt 3D của vùng thước kính chuẩn 117

cho ra rất nhiều thông số nhám bề mặt Nhằm đáp ứng những đòi hỏi trong

nghiên cứu và ứng dụng phương pháp đo nói trên, luận án chọn đề tài là: “Nghiên

cứu phương pháp xác định profile bề mặt chi tiết gia công cơ khí bằng ảnh kỹ thuật số”

Trong phương pháp xác định profile bề mặt 3D này, kính hiển vi kỹ thuật

số đóng vai trò bộ phận ghi bề mặt vật đo Do có nhấp nhô trên bề mặt vật đo nên sinh ra độ nhòe ảnh khác nhau Để phép đo đạt độ chính xác cao nhất, các thông

số kỹ thuật của kính hiển vi cũng như các thông số kỹ thuật của cảm biến quang cần xác định một cách chính xác Đây là một vấn đề chuyên môn sâu đã được nghiên cứu ở các nước phát triển trên thế giới Nhưng các tài liệu về cơ sở tính toán, thiết kế, chế tạo … kính hiển vi kỹ thuật số này không được công bố rộng rãi Ở nước ta phương pháp đo này chưa được nghiên cứu, trong khi yêu cầu đo các chi tiết dạng này rất cấp thiết trong công nghiệp dân sự và quốc phòng

1 Mục tiêu nghiên cứu của luận án

Xây dựng cơ sở tính toán một số thông số trong kính hiển vi dùng để đo profile bề mặt 3D của chi tiết cơ khí theo phương pháp chiều sâu từ độ nhòe ảnh Nghiên cứu ứng dụng thuật toán mô phỏng profile bề mặt 3D từ hai bức ảnh nhòe 2D chụp được trên kính hiển vi kỹ thuật số theo phương pháp chiều sâu từ

độ nhòe ảnh

2 Nội dung nghiên cứu

Luận án tập trung giải quyết những vấn đề sau:

- Nghiên cứu tìm hiểu cơ sở lý thuyết mô phỏng profile bề mặt 3D từ những bức ảnh nhòe 2D thu được trên kính hiển vi

- Nghiên cứu tìm hiểu thuật toán mô phỏng profile bề mặt 3D từ hai bức ảnh nhòe 2D thu được trên kính hiển vi

- Xây dựng cơ sở tính toán một số thông số của kính hiển vi kỹ thuật số đo profile bề mặt 3D theo phương pháp đo không tiếp xúc

- Nghiên cứu xây dựng profile bề mặt 3 chiều từ những bức ảnh nhòe chụp được trên kính hiển vi kỹ thuật số

Những nội dung nghiên cứu được trình bày trong 4 chương:

Chương 1 Tổng quan về đo lường profile bề mặt chi tiết cơ khí

Chương 2 Cơ sở lý thuyết và thuật toán tái hiện profile 3 chiều

Chương 3 Xây dựng cơ sở tính toán chuyển đổi đo và tính toán cho kính hiển vi kỹ thuật số

Chương 4 Thực nghiệm, kiểm chứng và kết quả

3 Phương pháp nghiên cứu

Cơ sở của phương pháp nghiên cứu là kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm Hiện nay tại ở Việt Nam mới chỉ có một số nghiên cứu liên quan đến vấn đề này như: phương pháp không tiếp xúc đo profile bề mặt chi tiết cơ khí bằng đầu dò quang học hoạt động theo nguyên lý tự động bù sai lệch hội tụ [2] đề cập đến đo profile bề mặt ở dạng 2 chiều; thiết kế phần mềm phân tích độ xám để

đo độ nhăn đường may bằng phương pháp khách quan [15] đề cập đến mô phỏng sóng nhăn dựa vào độ xám các điểm ảnh của mẫu vải, dọc theo hướng đường may ở dạng 2 chiều; các nghiên cứu liên quan đến xử lý ảnh số [5], [6], [7] … [13] mới chỉ đề cập đến nhận dạng ảnh, phát hiện biên … theo dạng 2 chiều mà chưa có nghiên cứu nào đề cập đến phương pháp xác định bản đồ chiều sâu 3 chiều từ những bức ảnh kỹ thuật số

Trên thế giới một số nghiên cứu liên quan đến vấn đề này được công bố trong các tạp chí chuyên ngành, phân theo số lượng hình ảnh đầu vào sẽ bao gồm

2 dạng chính: các phương pháp dựa trên hai ảnh trở lên và các phương pháp dựa trên một ảnh duy nhất Một số công trình nghiên cứu tiêu biểu dựa trên hai bức ảnh trở lên để xây dựng bản đồ chiều sâu như:phương pháp sử dụng hai ảnh có khẩu độ khác nhau [42], [52], [53] của Pentland, Subbarao,phương pháp sử dụng hai ảnh tại hai vị trí màn thu khác nhau [54] của Nayar, Noguchi; phương pháp

sử dụng hai ảnh khác nhau về chiều dài tiêu cự [53] của Subbarao; phương pháp quan sát 2 mắt Một số công trình nghiên cứu sử dụng một ảnh duy nhất để xây dựng bản đồ chiều sâu

Trên thế giới đã có một số thiết bị ứng dụng những phương pháp xây dựng bản đồ chiều sâu kể trên để đo profile bề mặt nhưng các thông số kỹ thuật của thiết bị, thuật toán và phần mềm không được công bố Dựa trên tài liệu thu thập được nghiên cứu tìm hiểu cơ sở lý thuyết mô phỏng profile bề mặt 3D từ những bức ảnh nhòe 2D; nghiên cứu tìm hiểu thuật toán mô phỏng profile bề mặt 3D từ hai bức ảnh nhòe 2D; xây dựng cơ sở tính toán một số thông số của kính hiển vi

kỹ thuật số Đã tiến hành đo, đánh giá một số bề mặt chi tiết cơ khí trên thiết bị thí nghiệm nhằm kiểm chứng lại những nghiên cứu tìm hiểu lý thuyết

4 Những luận điểm mới của đề tài:

- Nghiên cứu, tìm hiểu phương pháp đo profile bề mặt 3 chiều dựa trên lý thuyết chiều sâu từ độ nhòe ảnh (D .D) Trên cơ sở đó xây dựng chương trình tính toán, biểu di n profile bề mặt 3 chiều từ 2 bức ảnh nhòe

- Khảo sát ảnh hưởng của số bước lặp , khoảng cách giữa 2 ảnh nhòe tới trung bình bình phương lỗi φ của toàn hình ảnh suy ra số bước lặp tối ưu 

146 và quy tắc chọn khoảng cách giữa 2 ảnh nhòe phải lớn hơn chiều sâu hội tụ của kính hiển vi

Xây dựng hệ thống thí nghiệm dựa trên kính hiển vi Mitutoyo M

4 2 C tích hợp vật kính Mitutoyo 375- 37-1 và CMOS ký hiệu Touptek UCMOS 4 KP TP614 Kính hiển vi này không có chức năng D .D nhưng khi kết hợp với chương trình tính toán, biểu di n profile bề mặt từ 2 bức ảnh nhòe đã có chức năng D .D

- Chứng minh bằng thực nghiệm khả năng xác định profile 3 chiều của bề mặt gia công cơ khí bằng phương pháp D .D trong điều kiện hiện có của phòng thí nghiệm qua đó chứng tỏ khả năng ứng dụng của phương pháp này ở Việt Nam Kết quả thí nghiệm cho thấy khả năng đo 3 chiều theo D .D là khả thi khi nhấp nhô bề mặt lớn hơn chiều sâu hội tụ của kính hiển vi

Những kết quả nhận được là bước khởi đầu quan trọng mở ra một hướng ứng dụng mới không chỉ trong phạm vi đo profile bề mặt bằng phương pháp đo chiều sâu từ độ nhòe ảnh

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐO LƯỜNG PROFILE BỀ MẶT CHI TIẾT CƠ KHÍ

Trong công nghệ chế tạo chi tiết cơ khí, sai số của bề mặt gia công là một trong những yếu tố đặc trưng dùng để đánh giá chất lượng bề mặt và độ chính xác gia công Các sai số này ảnh hưởng tới độ chính xác gia công cũng như tính chất sử dụng của chi tiết máy, đặc biệt là đối với những chi tiết lắp ghép có chuyển động tương đối với nhau Có 04 loại sai số chính gồm: sai lệch kích thước; sai lệch hình dáng; sai lệch vị trí tương quan giữa các bề mặt như độ vuông góc, song song, độ đồng trục, độ đảo, độ đối xứng, độ xuyên tâm ; và nhám bề mặt [3], [4]

1.1 Đánh giá chất lượng và độ chính xác của chi tiết cơ khí qua profile bề mặt

Chất lượng bề mặt gia công được đánh giá bằng hai yếu tố đặc trưng: tính chất cơ lý của lớp kim loại bề mặt và sai số của bề mặt gia công Chất lượng của lớp kim loại bề mặt được tạo thành bởi tính chất của kim loại và phương pháp gia công cơ Trong quá trình gia công cơ dưới tác dụng của lưỡi cắt dụng cụ, trên bề mặt tạo thành những vết lồi, lõm và cấu trúc của lớp bề mặt cũng thay đổi [4] Các sai số của bề mặt gia công [3], [4] được phân biệt theo dấu hiệu hình học như sau: sai lệch hình dáng (độ tròn, độ trụ, độ thẳng, độ phẳng ); sóng bề mặt; nhám bề mặt (được tạo thành bằng những vết lồi, lõm dưới tác dụng của lưỡi cắt)

Hình 1.1 Sai lệch hình dạng, sóng và nhám trong profile bề mặt [28]

Theo các tài liệu [2], [22], [26], [27] các sai lệch được định nghĩa như sau:

Sai lệch hình dáng: Là sai lệch của bề mặt sau gia công so với bề mặt danh

nghĩa trên bản vẽ thiết kế Profile sai lệch hình dáng được cấu thành từ một vài nhấp nhô lớn với bước lớn hơn 1000 lần biên độ Nguyên nhân gây nên sai lệch hình dáng là do các sống trượt, trục chính trong máy gia công bị biến dạng do nhiệt hay do sự mòn không đều của các bộ phận trong máy

Sóng bề mặt: là những thành phần sai lệch có tỷ lệ giữa bước và biên độ

nhấp nhô trong khoảng 100 đến 1000 Sóng thường có dạng tuần hoàn theo chu

kỳ Đó là kết quả của quá trình gia công không phù hợp như: phôi hay máy bị võng, uốn; do rung động; máy bị rơ; ảnh hưởng của vật liệu gia công hoặc do các yếu tố khác từ bên ngoài …

Nhám bề mặt: là thành phần sai lệch nhỏ nhất gây ra bởi quá trình gia công

còn tồn tại trên bề mặt chi tiết, chẳng hạn như vết của lưỡi cắt trong quá trình tiện, phay hay dấu vết để lại do mài, mài nghiền hay đánh bóng Toàn bộ những thành phần sai lệch bất quy tắc có tỷ lệ giữa bước và biên độ nhấp nhô nhỏ hơn

100 lần được coi là nhám Tùy thuộc từng phương pháp gia công mà nhám có thể

ở dạng tuần hoàn theo chu kỳ hay ngẫu nhiên Các yếu tố ảnh hưởng đến nhám

bề mặt gia công bao gồm: thông số hình học của dụng cụ cắt, tốc độ cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt, vật liệu gia công, rung động của hệ thống công nghệ

1.2 Các thông số đánh giá profile bề mặt

Bề mặt có kết cấu rất phức tạp nên không thể chỉ dùng một hay một vài thông số nào đó để mô tả đầy đủ các đặc tính của nó Thường mỗi thông số chỉ

có thể mô tả được một vài đặc tính nào đó tùy theo yêu cầu sử dụng Ngày nay, mặc dù lĩnh vực đo lường bề mặt đã được phát triển rộng rãi trên toàn thế giới nhưng ở mỗi nước vẫn có sự khác nhau Tồn tại một số lượng lớn các thông số nhám bề mặt, đa phần trong số chúng được phát triển với mục đích mô tả chức năng của những bề mặt trong những ứng dụng cụ thể Thực tế có đến hơn 60 thông số nhám đang được sử dụng trong công nghiệp Các chỉ tiêu profile được thể hiện trong các tiêu chuẩn quốc tế: ISO [19], [20], [21] hay tiêu chuẩn quốc gia về nhám bề mặt: ANSI [16], AS [17] … hoặc trong các tiêu chuẩn ngành trong công nghiệp Những tiêu chuẩn này phần lớn là tương đồng nhưng cũng có một số điểm khác biệt Tiêu chuẩn quốc gia của Việt nam về nhám bề mặt ban đầu với 2 thông số, đến nay sử dụng TCVN 2511 (ban hành năm 1995) chỉ có 5 thông số

Mặc dù số lượng thông số độ nhám là lớn nhưng nhìn chung vẫn có thể được phân loại một cách thỏa đáng (hình 1.3) Ngoài các thông số 2D được đánh giá qua chỉ một profile mặt cắt, bề mặt còn được đặc trưng bởi các thông số không gian 3D mô tả được toàn bộ hình thái học bề mặt

` Hình 1.3 Phân loại các thông số nhám bề mặt [2]

Các thông

số nhám

bề mặt

Các thông số nhám 2D

Các thông số bước 3D

Các thông số biên độ 3D

Các thông số hỗn hợp 3D

Các hàm số thống kê 3D

1.2.1 Thông số nhám 2D

Profile nhám bề mặt bao gồm ba yếu tố cơ bản: biên độ, độ dốc và khoảng

cách [23], [24], [26], [27], [28] như trong hình 1.4 Tương ứng với nó là ba nhóm

thông số nhám 2D sau:

phương vuông góc với bề mặt (ví dụ Ra, Rz, Rq, Rt, Rp, Rv, Ry,

Rmax…)

phương ngang bề mặt (ví dụ RSm, RS, RPc, HSC …)

kết hợp cả hai yếu tố biên độ và khoảng cách (ví dụ R a, Rq )

Hình 1.4.Thành phần cơ bản của profile nhám bề mặt [27]

1.2.2 Thông số nhám 3D

Trong những năm gần đây, người ta rất quan tâm tới việc đo và đánh giá nhám ba chiều của bề mặt, gọi tắt là nhám 3D Nhiều thông số đã được đưa ra nghiên cứu và hiệu quả ứng dụng của chúng đã được chứng minh Một vài trong các thông số này chỉ đơn thuần là phần mở rộng của các thông số 2D tương ứng khi đánh giá theo 3D Tuy nhiên, cũng có những thông số đặc trưng chỉ có ở dạng 3D, chẳng hạn như hướng kết cấu bề mặt Từ những năm 1990, một bộ gốc

gồm 14 thông số 3D đã được xây dựng với tên gọi là bộ "14 thông số nhám

Birmingham" [29] (hình 1.5) Đến nay có nhiều thông số nhám 3D khác được bổ

sung và đã xuất hiện một số trong các tiêu chuẩn ngành [23] Hiện nay một bộ thông số 3D cũng đang được xem xét trong dự thảo Tiêu chuẩn quốc tế về nhám

bề mặt

1.2.2.1 Phân loại thông số nhám 3D

Tương tự 2D, các thông số nhám 3D cũng gồm một số nhóm chính sau:

- Thông số biên độ nhám: S a , S q , S sk , S ku , S p , S v , S z , S 5z …

- Thông số bước nhám: S ds , S al , S tr , S td …

- Thông số hỗn hợp: S sc , S dq , S dr …

- Thông số khác: S fd , S td , S tp , S k , S pk , S vk , S MR1 , S MR2 , V mp , V mc , V vc , V vv …

Trong phép đo thông số nhám 3D, bề mặt được mô tả bởi một hàm số là

cao độ của các điểm trên nó: f = z(x,y) với hai biến độc lập (x,y) là tọa độ điểm được xét.Một số khái niệm cơ bản như diện tích mẫu A s , diện tích đánh giá A e , mặt trung bình đều được định nghĩa xuất phát từ những khái niệm tương đương

Ssc

Sdq

Sdr

Các thông số nhám 3D khác

Sbi

Sci

Svi

Hình 1.6 Mô tả bề mặt 3D [25] Hình 1.7 Lưới điểm số hoá bề mặt 3D

Một số ký hiệu sau thường được dùng khi mô tả và đánh giá độ nhám 3D bề mặt:

 f = z(x,y): hàm số mô tả cao độ các điểm trên bề mặt so với mặt trung bình

 A e : diện tích đánh giá, A e = L x L y

 A s : diện tích mẫu, A s = x y

 L x : chiều dài đánh giá theo phương x,L x = Mx

 L y : chiều dài đánh giá theo phương y, L y = Ny

 M: số khoảng lấy mẫu theo phương x

 N: số khoảng lấy mẫu theo phương y

Ngoài những thông số xuất phát từ thông số nhám 2D tương ứng còn có những thông số khác mà chỉ khi mô tả 3D mới có Vì thế số lượng các thông số nhám 3D là khá nhiều và phức tạp Trong giới hạn của luận án, một vài thông số 3D đơn giản và có mối liên hệ chặt chẽ với các thông số nhám 2D tương ứng sẽ được đề cập tới Tất cả những thông số này đều được xác định trên bộ tọa độ lưới các điểm đo trên bề mặt [23], [25], [30]

1.2.2.2 Một số thông số nhám 3D

Được định nghĩa là trung bình số học của giá trị tuyệt đối độ lệch chiều cao các điểm trên bề mặt cần đánh giá so với mặt trung bình trong phạm vi diện tích đánh giá

Trị số của S a được xác định qua công thức sau:

Ly Lx a

Ly Lx 2 q

Thông số nhám S ku :

Sku thông số xác định độ nhọn của các đỉnh nhám trên bề mặt:

 

Ly Lx 4

nhất so với bề mặt trung bình trong phạm vi diện tích mẫu As

mặt trung bình trong phạm vi diện tích mẫu A s

Thông số nhám S z :

Tương tự như thông số R z thì S z cũng vẫn tồn tại hai định nghĩa khác nhau:

S z là khoảng cách từ đỉnh nhám cao nhất tới rãnh nhám sâu nhất trong phạm

vi diện tích mẫu A s Dễ thấy:

Sz theo mười điểm (hay còn gọi là S5z): là giá trị trung bình của tổng giá trị tuyệt đối chiều cao 5 đỉnh cao nhất và chiều sâu 5 rãnh thấp nhất trong phạm vi diện tích mẫu As:

pi vi

i 1 i 1 z

Thông số nhám S dq :

Là độ dốc bình phương trung bình của bề mặt trong phạm vi diện tích mẫu

S dq cũng được tính bằng cách sử dụng đa thức Lagrand với 7 điểm:

Nhận xét: Tất cả các chỉ tiêu nhám được định nghĩa ở trên đều dựa trên số

đo profile bề mặt Số chỉ tiêu được đưa vào tiêu chuẩn ở mỗi quốc gia, mỗi ngành có sự khác nhau; nhưng dù là thông số nhám 2D hay 3D, số đo profile bề mặt luôn được dùng làm cơ sở để xác định Ngày nay, khi các dịch chuyển lấy

xác giống như khi được tính trên một profile liên tục

1.3 Các phương pháp đo profile bề mặt

Ngày nay, trong lĩnh vực đo profile bề mặt có nhiều kỹ thuật đo khác nhau Các thiết bị đo cũng được phân loại theo nhiều cách khác nhau tùy thuộc vào

từng tiêu chí cụ thể Thông thường phân thành ba nhóm cơ bản: đo theo mặt, đo

chép hình và đo bằng kính hiển vi [26], [31] Các thiết bị đo chép hình có thể là

dạng tiếp xúc như đo bằng đầu dò; có thể là không tiếp xúc như các thiết bị đo chép hình quang học: máy chiếu hình, thiết bị dò tìm tiêu điểm hệ quang, tam giác đạc Các thiết bị đo quang học có ưu điểm lớn nhất là không có sự tiếp xúc vật lý nên không làm hư hại bề mặt đo Bản chất không tiếp xúc khiến cho các thiết bị đo quét quang học có thể đạt được thời gian đo và tốc độ đo nhanh hơn [32] Tuy nhiên, việc phân tích tính toán thông số từ các dữ liệu đo được bởi thiết

bị đo quang học là khá phức tạp Với thiết bị đo bằng đầu dò tiếp xúc, có thể dự đoán tín hiệu ra qua mô hình biểu thị bởi một quả cầu có đường kính hữu hạn dịch chuyển và luôn tiếp xúc với bề mặt Trong khi đó với thiết bị đo quang học,

vấn đề không đơn giản khi xét đến tương tác giữa trường sóng điện từ của ánh sáng với bề mặt được đo Có nhiều giả thuyết về bản chất của chùm tia tới và bề mặt đo trong khi rất khó khẳng định được trong thực tế Tương tác giữa chùm tia với bề mặt là rất phức tạp do không thể tách rời các đặc tính hình học và bản chất vật liệu của bề mặt trong phép đo Vì vậy, cần phải có hiểu biết về bản chất bề mặt được đo trước khi lựa chọn một thiết bị đo quang học phù hợp [23]

Xét về bản chất, phương pháp đo chia làm hai hướng: Một là đo chép hình profile bề mặt: từ tập dữ liệu tọa độ các điểm trên profile, xử lý để tính toán ra các thông số cần đo Phương pháp này cho phép xử lý để tính ra các thông số theo yêu cầu Phương pháp thứ hai là đo trực tiếp, số liệu đầu ra là thông số độ nhám như kỹ thuật đo theo mặt trình bày ở trên Thông thường kết quả đo được xác định từ thống kê của bề mặt đo được, ví dụ như phân tích phân bố cường độ của các tia sáng tán xạ trong phương pháp đo tán xạ toàn phần

Sau đây xem xét một số phép đo tiêu biểu cho 2 phương pháp trên qua các nguyên lý đo và thiết bị đo cụ thể

1.3.1 Phương pháp chép hình:

Theo các tài liệu [1], [2], [3] phương pháp chép hình các thông tin của bề mặt thu được bằng cách dịch chuyển chính xác một đầu dò với độ phân giải cao trên bề mặt Qua đó nhận được các dữ liệu về chiều cao cũng như bước sóng của các nhấp nhô trên bề mặt được đo

1.3.1.1 Phương pháp sử dụng đầu dò tiếp xúc

Đây là loại thiết bị tiêu biểu cho phương pháp đo chép hình bề mặt Trong phương pháp này, profile của bề mặt thực được chép hình lại bằng cách dịch chuyển một đầu dò có độ phân giải cao, song song và luôn luôn tiếp xúc với bề mặt được đo Thông thường đây là một mũi dò rất nhọn bằng kim cương với bán

kính r rất bé (~ 3-5 m) Qua đó những nhấp nhô của profile thực được phản ánh qua dịch chuyển lên xuống của đầu dò bám trên bề mặt Kết hợp với dịch chuyển ngang trên bề mặt ta thu được một profile chép hình từ profile thực Từ profile chép hình được này được xử lý qua các kỹ thuật khuếch đại, chuyển đổi tương tự

- số, lọc các sóng có bước không phù hợp rồi phân tích tính toán các thông số nhám cần xác định (hình 1.8)

Hỡnh 1.8 Sơ đồ khối thiết bị đo chộp hỡnh bằng đầu dũ tiếp xỳc

Nguyờn lý đo đầu dũ tiếp xỳc cú lịch sử phỏt triển rất lõu dài với những thiết bị đo nhỏm đầu tiờn trờn thế giới được chế tạo Tuy nhiờn, phương phỏp này tồn tại những nhược điểm cố hữu do bản chất như: cú thể làm hư hại bề mặt đo, mũi dũ cú thể bị góy, vỡ, mũn, biến dạng: do luụn cú sự tiếp xỳc trong quỏ trỡnh

đo, khụng đo được những bề mặt mềm, profile đo được bị ảnh hưởng bởi kớch thước vật lý của mũi dũ Độ phõn giải ngang của chỳng cũng bị giới hạn: Đú là bước súng ngắn nhất của một profile hỡnh sin mà mũi dũ vẫn cú thể tiếp xỳc tới được điểm thấp nhất Độ phõn giải được xỏc định bởi cụng thức: 2 a.r với

a là biờn độ nhấp nhụ profile và r là bỏn kớnh mũi dũ

Hỡnh 1.9 Nguyờn lý đo tiếp xỳc bằng đầu dũ

1.3.1.2 Thiết bị đo profile bề mặt theo nguyờn lý tam giỏc đạc

Thiết bị đo theo nguyờn lý tam giỏc đạc (TAI) được dựng để đo khoảng cỏch tương đối đến một bề mặt [23], [24] Ánh sỏng từ nguồn laser được chiếu tới bề mặt qua sợi quang, trong đú chựm tia sẽ bị tỏn xạ Cảm biến được thiết lập

Khuếch đại Cụm

Pick - up

Khối tạo dịch chuyển

Bộ lọc

Bộ phận ghi

Đầu dò

Ng-ỡng cut-off

Thông số nhám ISO 4287

Bề mặt đ-ợc đo

bởi các linh kiện quang học sao cho hội tụ chùm tia tán xạ thành một điểm trên mảng CCD dạng đường hoặc cảm biến nhạy vị trí Trong quá trình đo, các nhấp nhô trên bề mặt khiến cho điểm sáng hội tụ di chuyển từ vị trí này sang vị trí khác trên cảm biến (hình 1.10)

Hình 1.10 Nguyên lý đo tam giác đạc

TAI thường sử dụng một bàn đo có thể dịch chuyển theo hai trục x và y

Độ phẳng khi chuyển động trên phạm vi (150  100) mm đạt tới vài m trong khi với phạm vi dưới 25 mm thì có thể nhỏ hơn 0,5 m Thiết bị đo theo phương pháp này thường được dùng để đo các bề mặt với kết cấu tương đối rộng: giấy, vải Ưu điểm chính của các cảm biến tam giác đạc là tốc độ đo và có thể ứng dụng trong quá trình sản xuất

1.3.1.3 Phương pháp đo chép hình profile bề mặt theo nguyên lý tự động

bù sai lệch hội tụ [2]

Trong thiết bị đo chép hình profile bề mặt bằng quang học, sử dụng một đốm sáng hội tụ quét trên bề mặt được đo Vai trò của đốm sáng này gần giống như mũi dò cơ khí của loại thiết bị đo tiếp xúc Thiết bị đo profile bề mặt theo nguyên lý tự động bù sai lệch hội tụ, còn gọi là nguyên lý điều tiêu tự động, hoạt

động trên nguyên tắc này Một chùm tia laser tự động hội tụ thành một điểm trên

bề mặt được đo Dịch chuyển bề mặt mẫu và cố định bước đo nhờ sử dụng bàn

đo hai chiều x và y rồi đo chiều cao bề mặt mẫu tại từng điểm hội tụ

Hình 1.11 Nguyên lý đo tự động dò điểm hội tụ[2]

Hình 1.11 là sơ đồ của thiết bị hoạt động theo nguyên lý tự động dò sai lệch hội tụ của chùm tia [23] Nguồn sáng được sử dụng là laser có định hướng cao và

có khả năng hội tụ thành một điểm Tia tới đi qua một phía của vật kính, còn tia phản xạ đi qua phía đối diện của vật kính sau khi hội tụ trên bề mặt được đo tại tâm của trục quang Một ảnh được hình thành trên cảm biến tự động điều tiêu sau khi đi qua thấu kính tạo ảnh Hình 1.11 minh họa trạng thái hội tụ đúng Tọa độ điểm hội tụ trên bề mặt được xác định bởi các thang thước trên bàn đo hai chiều

x và y Cao độ của điểm hội tụ được xác định qua cảm biến vị trí Z

1.3.2 Phương pháp đo theo mặt

Theo các tài liệu [1], [2], [3] phương pháp đo theo mặt được sử dụng để đo các đỉnh và rãnh nhám đặc trưng trên bề mặt được đo qua phép thống kê trung bình Đó là các phương pháp đo tán xạ quang, nhiễu xạ quang,đo siêu âm Ngoài ra còn nhiều phương pháp đo diện tích khác được phát triển và ứng dụng

1.3.2.1 Phương pháp đo tán xạ toàn phần

Đây là một phương pháp điển hình cho kỹ thuật đo độ nhám mà không cần chép hình profile bề mặt Trong đó chỉ có thông số nhám Rq được xác định

Hình 1.12 Nguyên lý đo tán xạ tích phân toàn phần

Phương pháp đo tán xạ toàn phần [23], [27], [28] được ứng dụng nhiều trong đo lường kiểm tra các bề mặt quang học Hình 1.12 là sơ đồ nguyên lý của phương pháp Bề mặt đo được chiếu bởi chùm tia laser với một cường độ xác định Chùm tia đi qua khe hẹp trên quả cầu tích phân rồi tán xạ trên bề mặt mẫu nằm bên trong quả cầu đó Chỉ có tia phản xạ gương sẽ trở lại qua cửa thoát ra ngoài Còn các tia tán xạ đi theo nhiều hướng khác nhau sẽ phản xạ liên tiếp trên

bề mặt trong của quả cầu rồi cuối cùng tới cảm biến quang, tại đó đo được cường

o

.RI

I

24

(1.12)

Trong đó Io là cường độ của chùm tia phản xạ Công thức này khá chính xác với những bề mặt có giá trị độ nhám Rq nhỏ hơn bước sóng  của chùm tia tới

1.3.2.2 Giao thoa kế hoạt động theo nguyên lý dịch pha

Hình 1.13 mô tả một giao thoa kế dịch pha (PSI) [23] Đó là sự tích hợp của một giao thoa kế với một kính hiển vi Trong PSI gương tách tia hướng chùm sáng đi xuống theo một đường chuẩn tới một gương phẳng lý tưởng, tại đó ánh sáng sẽ được phản xạ hoàn toàn Gương tách tia sẽ hướng chùm tia thứ hai đi tới

bề mặt được đo rồi phản xạ lại Hai chùm tia này kết hợp với nhau tại bộ tách tia tạo thành hình ảnh vân giao thoa trên bề mặt cảm biến

Hình 1.13 Giao thoa kế dịch pha PSI

Thông thường các PSI sử dụng kết cấu đồng trục, nghĩa là hai chùm tia truyền đi theo cùng một hướng Tuy nhiên kết cấu không đồng trục cũng được sử dụng, ở đó ảnh của bề mặt có thể được hội tụ trên cảm biến hoặc không Khi đó một thuật toán truyền số được sử dụng cho phép hội tụ số Quang lộ trên nhánh chuẩn được hiệu chỉnh sao cho thu được độ tương phản giao thoa cực đại Trong quá trình đo, dịch chuyển khiến cho hiệu quang lộ tới bề mặt được đo và quang

lộ tới gương chuẩn thay đổi, kết quả tạo ra sự thay đổi hình ảnh vân giao thoa Sau đó biểu đồ pha được xây dựng từ từng dịch chuyển trên thiết bị ghi giao thoa Cuối cùng, các thông tin về cao độ các điểm trên bề mặt được phân tích từ biểu đồ pha Sự chênh lệch quang lộ được tạo ra bằng nhiều cách Ví dụ như vật kính và gương chuẩn của hệ thống được dịch chuyển bởi một cơ cấu truyền động

dạng áp điện Đối với những bề mặt có chiều cao nhấp nhô của nhám lớn hơn 1/2 bước sóng, người ta sử dụng các thuật toán về pha hoặc dùng phương pháp bước sóng kép

Hình 1.14 Hệ giao thoa Mirau [23] Hình 1.15 Hệ giao thoa Linnik [23]

Thiết bị đo PSI thường sử dụng một trong hai kết cấu với cách bố trí các vật kính hiển vi khác nhau Hình 1.14 thể hiện kết cấu vật kính Mirau, ở đó các phần

tử A, B và C dịch chuyển còn D là chuẩn Hình 1.15 là kết cấu vật kính Linnik, trong đó các phần tử B và C dịch chuyển tham chiếu tới D và E Kết cấu dạng Mirau nhỏ gọn hơn và ít cần tới sự điều chỉnh hơn kiểu Linnik Đối với cả hai loại vật kính, phải là giao thoa ánh sáng trắng khi cả gương chuẩn và đối tượng

đo đúng tiêu điểm Với vật kính Mirau, điều này được thực hiện qua sự điều chỉnh độ nghiêng và vị trí của gương chuẩn Còn với vật kính Linnik, cả gương chuẩn và đối tượng phải đúng tiêu điểm Hơn nữa cả hai nhánh của vật kính Linnik phải được chế tạo bằng nhau trong phạm vi vân giao thoa, hai vật kính trong hệ Linnik phải phù hợp Điều đó khiến chi phí tăng cao Hệ Linnik có độ phóng đại và độ phân giải đạt tới tương đương với các kính hiển vi quang học tiêu chuẩn có độ phân giải cao nhất

Một loại kết cấu khác là dựa trên nguyên lý của giao thoa kế Michelson Một lăng kính tách tia dạng khối lập phương được đặt bên dưới vật kính để hướng chùm tia tới bề mặt chuẩn Ưu điểm của kết cấu Michelson là phần trung tâm của vật kính không bị chặn Tuy nhiên, lăng kính tách tia lập phương được đặt trong phần hội tụ của chùm tia khiến cho quang sai xuất hiện Nhược điểm của loại thiết bị này là có khẩu độ số nhỏ và khoảng làm việc lớn

Nguồn sáng được sử dụng trong các hệ thống đo PSI có bước sóng trong một dải hẹp như: điốt laser, LED, nguồn sáng trắng được lọc dải hẹp hay đèn quang phổ… Độ chính xác bước sóng trung tâm và độ rộng phổ cường độ sáng

có ảnh hưởng quan trọng đến độ chính xác của kết quả đo Các phép đo profile

bề mặt được thực hiện bằng cách sử dụng một cảm biến hình ảnh bao gồm một mảng tuyến tính các sensor ảnh điểm Khoảng cách và bề rộng của các điểm ảnh trên cảm biến xác định các thuộc tính của độ phân giải ngang của thiết bị PSI có thể đạt được độ phân giải và độ lặp lại tới dưới nanomét nhưng rất khó xác định

độ chính xác do nó phụ thuộc nhiều vào bề mặt được đo Phạm vi đo của PSI bị giới hạn trong khoảng một vân hay xấp xỉ 1/2 bước sóng trung tâm  của nguồn sáng Do đó các thiết bị đo PSI chỉ được sử dụng để đo những bề mặt rất phẳng Những nghiên cứu thực nghiệm cho thấy rằng chỉ những bề mặt có độ nhám Ra

(hay Sa) nhỏ hơn 1/10 bước sóng  mới đo được bằng PSI Hạn chế đó được khắc phục bằng cách kết hợp PSI với một thiết bị đo giao thoa quét kết hợp CSI với chế độ quét dọc Độ chính xác của PSI tăng lên cho phép đo được những bề mặt siêu phẳng, thậm chí còn phẳng hơn cả bề mặt chuẩn qua phương pháp trung bình hoá PSI còn có thể đo được những bề mặt có độ phản xạ thấp tới dưới 5% mặc dù tỷ lệ giữa tín hiệu và nhiễu sẽ tăng khi độ phản xạ giảm

1.3.2.3 Nguyên lý đo bề mặt theo sự thay đổi điểm hội tụ

Hình 1.16 Nguyên lý đo nhám bề mặt theo tiêu điểm thay đổi

Sự thay đổi điểm hội tụ kết hợp độ sâu hội tụ nhỏ của hệ thống quang với chức năng quét đứng có thể cung cấp thông tin về nhấp nhô và màu sắc từng điểm trên bề mặt với nguyên lý đo như trên hình 1.16 [23]

Bộ phận chính là một hệ quang học chính xác bao gồm các thấu kính với nhiều công dụng cho phép đo với độ phân giải ngang khác nhau Nhờ vào gương tách tia, chùm sáng phát ra từ nguồn sáng trắng đi qua hệ thống quang rồi hội tụ trên bề mặt được đo nhờ một vật kính Phụ thuộc vào cấu trúc nhấp nhô trên bề mặt được đo mà chùm tia sáng sẽ phản xạ theo nhiều hướng Nếu bề mặt đo có tính phản xạ khuếch tán, tia sáng sẽ phản xạ với cường độ như nhau theo mọi hướng Trong trường hợp phản xạ gương, ánh sáng chủ yếu chỉ đi theo hướng mà góc phản xạ bằng góc tới Tất cả các tia xuất phát từ bề mặt vật đo sẽ đi qua vật kính và hệ quang rồi tới cảm biến nhạy sáng nằm phía sau gương tách tia Do hệ quang có độ sâu hội tụ nhỏ nên chỉ một vùng nhỏ của đối tượng đo có ảnh sắc nét

Để thực hiện được phép dò hoàn toàn bề mặt với toàn bộ độ sâu điều tiêu, các phần tử quang học chính xác được dịch chuyển dọc theo quang trục trong khi

dữ liệu từ bề mặt liên tục được lưu lại Cách thực hiện này đảm bảo từng khu vực

trên đối tượng được hội tụ sắc nét Các thuật toán chuyển đổi dữ liệu mà cảm biến thu được sẽ cho thông tin ba chiều với một hình ảnh có màu sắc thật sự trung thực và đầy đủ chiều sâu điều tiêu

Có nhiều phương pháp khác nhau để phân tích sự thay đổi tiêu điểm này, thông thường là dựa trên tính toán độ sắc nét tại một vị trí cụ thể; dựa trên đánh giá các dữ liệu cảm biến thu được trong một diện tích cục bộ nhỏ Với một đối tượng điểm hội tụ càng sắc nét thì biến thiên của các giá trị thu được của cảm biến tại các khu vực lân cận càng lớn Chẳng hạn từ độ lệch chuẩn của các giá trị cảm biến thu được có thể dùng như một thước đo đơn giản để đánh giá độ sắc nét Với thiết bị đo thay đổi điểm hội tụ, độ phân giải đứng phụ thuộc vào vật kính và có thể nhỏ tới 10 nm Phạm vi quét theo phương đứng phụ thuộc vào khoảng làm việc của vật kính, có thể tới vài chục milimét Phạm vi đo ngang

XY có thể đạt tới (100100) mm bằng cách sử dụng các thuật toán đặc biệt kết hợp với một bàn đo dịch chuyển hai chiều có động cơ truyền động Khác với các

kỹ thuật đo quang học khác bị giới hạn đối với các chiếu sáng đồng trục, bề mặt với độ dốc tối đa có thể đo được với loại thiết bị này không phụ thuộc vào khẩu

độ số của vật kín; cho phép đo được các profile có độ dốc tới 80

Phương pháp đo theo sự thay đổi điểm hội tụ được ứng dụng cho nhiều loại

bề mặt với các hệ số phản xạ quang học khác nhau Bề mặt mẫu có thể thay đổi

từ bóng sáng tới phản xạ khuếch tán, từ các vật liệu đồng nhất cho tới vật liệu hợp chất phức tạp, và từ bề mặt có đặc tính nhẵn mịn tới thô ráp Nguyên lý đo này khắc phục việc khả năng đo bị giới hạn bởi tính phản xạ bằng cách sử dụng một tổ hợp nguồn chiếu sáng đã được điều biến, kiểm soát các tham số đặc trưng của cảm biến và độ phân cực tích hợp Thông thường, các thiết bị đo loại này cho kết quả đo tốt trên những bề mặt có độ nhám Ra lớn hơn 10 nm và bước sóng ngưỡng khoảng c 2m

1.3.3 Phương pháp dùng kính hiển vi đo quét

Phương pháp sử dụng kính hiển vi bao hàm một phạm vi rất rộng với những thiết bị sử dụng phương pháp này có thể là trực tiếp như các kính hiển vi quang học hoặc gián tiếp như kính hiển vi điện tử quét, kính hiển vi truyền qua điện tử hay kính hiển vi lực nguyên tử Cũng có phương pháp khác để quan sát được topography của bề mặt là sử dụng các thiết bị phân tích ảnh quang phổ, tiêu biểu

là phương pháp sử dụng kính hiển vi điện tử Auger và phương pháp dùng kính hiển vi quang điện tử với chùm tia X

Trong các phương pháp đo quang học, nhược điểm của chúng là độ chính xác bị giới hạn bởi bước sóng của ánh sáng được sử dụng Đối với những yêu cầu cao hơn nữa, chẳng hạn với các bề mặt trơn nhẵn tới mức độ phân tử, các màng mỏng thì rất khó có thể dùng các thiết bị đo quang học để đo chúng Một quy luật trong ngành đo lường là đơn vị đo cũng phải có kích thước tương đương với những yếu tố mà nó đo

Theo tài liệu [1], những thiết bị đo dạng kính hiển vi quét, đơn vị đo được

sử dụng là kích thước mạng tinh thể, hay một cách khác là sử dụng các electron thay cho ánh sáng Bước sóng tương ứng với dịch chuyển của các electron là:

p

h A eV

Thấy rằng bước sóng của electron nhỏ hơn bước sóng của ánh sáng trung bình khoảng 10-4 đến 10-5 lần

Có nhiều loại kính hiển vi sử dụng electron thay vì ánh sáng nhằm mục đích tăng độ phân giải ngang Nó có thể sử dụng tính truyền qua của electron trong TEM hoặc cũng có thể dưới dạng quét electron trong SEM, tương tự như những kính hiển vi quét bằng tia nhưng sử dụng các electron

Một kiểu khác là kính hiển vi quét hiệu ứng đường hầm (STM) và kính hiển

vi lực nguyên tử (AFM) Các thiết bị này đặc điểm giống như trong các thiết bị

đo đầu dò truyền thống Điểm khác biệt cơ bản là thay vì đo các thông số hình học thì chúng đo các đặc tính khác của bề mặt như mật độ điện tích, hay lực nguyên tử từ đó nội suy ra khoảng cách theo chiều z

1.3.3.1 Kính hiển vi quét sử dụng hiệu ứng đường ngầm STM

Kính hiển vi quét STM là một bước phát triển mới của phương pháp đo bề mặt bằng chép hình Nguyên lý của STM dựa trên sự trao đổi electron giữa đầu

đo và bề mặt mẫu đo Do đó thiết bị đo loại này chỉ sử dụng được với các chất dẫn điện và bán dẫn Trong STM, nguồn phát electron được giữ sao cho rất gần

so với bề mặt cần đo Khi có một điện áp hiệu dụng được đặt giữa đầu đo và bề mặt thì một dòng điện xuất hiện vượt qua hàng rào chân không Cường độ của dòng điện này phụ thuộc rất nhiều khoảng cách từ đầu phát tới bề mặt đo Khi khoảng cách vào khoảng 1nm thì dòng điện đường ngầm xuất hiện Việc quét được thực hiện bởi 2 truyền động sử dụng hiệu ứng áp điện x và y, nhờ quá trình này khả năng chép hình lại bề mặt được thực hiện qua phương pháp quét nhiều đường khác nhau

Nguyên lý hoạt động của STM tuân theo một trong hai cách điện áp không đổi và khoảng cách không đổi:

a Điện áp không đổi

Loại này khi đầu đo dịch chuyển trên bề mặt mẫu, khoảng cách của nó tới

bề mặt mẫu được kiểm soát sao cho dòng điện đường hầm là không đổi Với bất

kỳ sự thay đổi nào về dòng điện sẽ được STM bù ngay qua việc dịch chuyển đầu

đo lên xuống theo phương z Tín hiệu điện áp ra của STM được tác động vào bộ phận áp điện điều khiển đầu đo sao cho dòng điện là không đổi

Hình 1.17

Nguyên lý hoạt động của kính hiển vi

đường ngầm với điện áp không đổi

Hình 1.18

Nguyên lý hoạt động của kính hiển vi đường ngầm với chiều cao z không đổi

b Khoảng cách z không đổi

Trong trường hợp này đầu đo được giữ với một khoảng cách z không đổi tới bề mặt STM sẽ xác định sự biến đổi của dòng điện Đó là tín hiệu ra

Theo lý thuyết cơ học lượng tử, các electron trên bề mặt vừa có tính chất hạt vừa có tính chất sóng Ta có thể xem như các electron chuyển động bao quanh hạt nhân của nó như một đám mây trên bề mặt Khi hai bề mặt được coi như 2 điện cực tiến sát vào nhau thì sẽ xuất hiện khả năng một số electron vượt qua được hàng rào điện thế sang bề mặt bên kia Khi 2 bề mặt càng gần nhau, khả năng đó càng dễ xảy ra Khi khe hở dưới nanomet thì sẽ xuất hiện dòng điện

z A T