Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu phương pháp và xây dựng mô hình thiết bị đo cấu trúc hình học ba chiều bề mặt tế vi của chi tiết quang cơ theo nguyên lý giao thoa ánh

Mục đích chính của luận án nhằm nghiên cứu thuật toán tái tạo cấu trúc hình học 3D của bề mặt từ hình ảnh giao thoa hai chiều. Ứng dụng thuật toán tái tạo cấu trúc hình học 3D của một số dạng chi tiết quang học và cơ khí khác nhau; Thực nghiệm đo đạc, xử lý kết quả, so sánh với lý thuyết rút ra các kết luận làm cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo. Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính và hoạt động của mô hình thiết bị.

BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ PHAN NGUYÊN NHUỆ NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH THIẾT BỊ ĐO CẤU TRÚC HÌNH HỌC BA CHIỀU BỀ MẶT TẾ VI CỦA CHI TIẾT QUANG CƠ THEO NGUYÊN LÝ GIAO THOA ÁNH SÁNG TRẮNG Chuyên ngành: Kỹ thuật khí Mã số: 9.52.01.03 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – NĂM 2020 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI HỌC VIỆN KỸ THUẬT QN SỰ - BỘ QUỐC PHÒNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Lê Hồng Hải PGS.TS Dương Chí Dũng Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Mai Đại học BK Hà Nội Phản biện 2: PGS.TS Đinh Văn Trung Viện HLKH&CN VN Phản biện 3: TS Phạm Hồng Tuấn Bộ Khoa học Công nghệ Luận án bảo vệ Hội đồng đánh giá luận án cấp Học viện theo định số 4588/ QĐ-HV ngày 23 tháng 12 năm 2020 Giám đốc Học viện Kỹ thuật Quân sự, họp Học viện Kỹ thuật Quân vào hồi … … ngày … tháng … năm 2021 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Học viện Kỹ thuật Quân - Thư viện Quốc gia A GIỚI THIỆU LUẬN ÁN Tính cấp thiết đề tài luận án Cấu trúc hình học ba chiều (3D) bề mặt có vai trị quan trọng đến tính chất, chức thành phần hệ thống quang, cơ, điện tử Thống kê cho thấy 90% lỗi kỹ thuật có liên quan đến bề mặt chế tiếp xúc mài mòn hay sai lệch bề mặt gây Do đó, cần phải tìm phương pháp đáng tin cậy để đo thơng số hình học 3D kiểm tra chất lượng bề mặt Việc đo lường cấu trúc hình học 3D bề mặt cần thiết để đánh giá chất lượng chi tiết sản xuất kiểm tra sản phẩm Ngồi việc cung cấp thơng tin đánh giá chất lượng sản phẩm, phép đo cấu trúc 3D bề mặt có ý nghĩa việc nghiên cứu thay đổi cơng nghệ chế tạo, qui trình sản xuất, phân tích định tính, định lượng tham số cấu trúc liệu 3D Những năm gần đây, ngành Quang học quan tâm phát triển người thiết bị, đặc biệt công nghệ gia công, công nghệ màng mỏng, nghiên cứu vật liệu Nhu cầu đo lường, kiểm tra chất lượng bề mặt chi tiết quang học cao Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu phương pháp xây dựng mô hình thiết bị đo cấu trúc hình học ba chiều bề mặt bề mặt tế vi chi tiết quang theo nguyên lý giao thoa ánh sáng trắng” có tính cấp thiết cao khía cạnh ứng dụng khía cạnh khoa học - cơng nghệ, đáp ứng nhu cầu trước mắt phù hợp với xu hướng phát triển hệ thống đo lường quang học đại Mục đích nhiệm vụ nghiên cứu luận án Mục đích luận án nghiên cứu phát triển mơ hình thiết bị đo cấu trúc hình học ba chiều bề mặt tế vi chi tiết quang, sở sử dụng giao thoa ánh sáng trắng (WLI) Nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể: - Nghiên cứu phương pháp đo cấu trúc 3D bề mặt; - Phân tích lựa chọn sơ đồ hoạt động thành phần, xây dựng mơ hình thiết bị; - Nghiên cứu thuật tốn tái tạo cấu trúc hình học 3D bề mặt; - Thực nghiệm đo đạc, xử lý kết Đối tượng nghiên cứu luận án Đối tượng nghiên cứu luận án phương pháp thiết bị đo lường cấu trúc hình học 3D bề mặt chi tiết quang, Phạm vi nghiên cứu -Xây dựng mơ hình thiết bị đo cấu trúc hình học 3D bề mặt phịng thí nghiệm theo kỹ thuật WLI; -Thiết bị dùng để đo cấu trúc hình học 3D tế vi bề mặt chi tiết quang, có mấp mô bề mặt cỡ nanomet đến vài micromet Phương pháp nghiên cứu Luận án kết hợp phương pháp nghiên cứu tính tốn lý thuyết thực nghiệm Cấu trúc luận án Luận án bao gồm: phần mở đầu, bốn chương, kết luận, tài liệu tham khảo phụ lục Chương 1: Đo cấu trúc hình học bề mặt, tiến tồn Chương 2: Đo cấu trúc hình học ba chiều bề mặt giao thoa ánh sáng trắng - sở lý thuyết kỹ thuật xử lý Chương 3: Xây dựng mô hình thiết bị đo cấu trúc hình học ba chiều bề mặt giao thoa ánh sáng trắng Chương 4: Một số kết đo cấu trúc hình học ba chiều bề mặt sử dụng mơ hình thiết bị B NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN ÁN Chương ĐO CẤU TRÚC HÌNH HỌC BỀ MẶT, NHỮNG TIẾN BỘ VÀ TỒN TẠI Chương trình bày tổng quan lĩnh vực đo cấu trúc hình học bề mặt bao gồm: Lịch sử phát triển, khái niệm đo lường cấu trúc đặc tính bề mặt Các phương pháp đo cấu trúc hình học 3D bề mặt chi tiết thảo luận, bao gồm phương pháp tiếp xúc không tiếp xúc 1.1 Tổng quan đo cấu trúc hình học bề mặt Đo cấu trúc hình học bề mặt đo lường đặc điển hình học tế vi bề mặt (Jiang 2007) [79] phân tách thành hai giai đoạn: - Giai đoạn thu nhận liệu cấu trúc bề mặt thiết bị; - Giai đoạn đặc tính hóa bề mặt 1.2 Sự phát triển thiết bị đo lường cấu trúc bề mặt Do chi tiết chế tạo ngày xác, cấu trúc bề mặt nhỏ đi, vượt qua khả đánh giá định tính phương pháp trực quan nên cần phát triển thiết bị đo cấu trúc hình học bề mặt Năm 1919, Tomlinson (Mỹ) phát triển thiết bị sử dụng gương điện kế để phóng đại cấu trúc bề mặt lên 30 lần [79] Khoảng năm 1933, thiết bị đo phương pháp tiếp xúc bắt đầu sử dụng Năm 1977, Garatt phát triển đầu dò sử dụng giao thoa ánh sáng Đến nay, loạt kỹ thuật phát triển để đo biên dạng bề mặt như: STM, AFM, SEM, TEM, kính hiển vi đồng tiêu, WLI… 1.3 Cấu trúc hình học bề mặt Đầu tiên, cấu trúc hình học bề mặt đánh giá giá trị Sau đó, cấu trúc bề mặt đặc tính hóa biểu đồ biên dạng liệu cấu trúc 3D kết hợp với lọc Đến có hàng trăm thông số bề mặt sử dụng tiêu chuẩn quốc tế, quốc gia 1.4 Các kỹ thuật thiết bị đo lường cấu trúc hình học bề mặt Hình 1.3: Phân loại kỹ thuật đo cấu trúc hình học bề mặt 1.4.1 Kỹ thuật đo cấu trúc hình học bề mặt phương pháp tiếp xúc Bao gồm: Đầu dị tiếp xúc kính hiển vi qt đầu dị 1.4.2 Kỹ thuật đo cấu trúc hình học bề mặt phương pháp khơng tiếp xúc Kính hiển vi điện tử (SEM, TEM); Kính hiển vi đồng tiêu; Kỹ thuật đo dựa vào chênh lệch cường độ; Kỹ thuật xác định vị trí từ sai số diều tiêu; Kỹ thuật giao thoa 1.4.3 So sánh loại thiết bị đo cấu trúc hình học bề mặt Mỗi thiết bị đo cấu trúc hình học bề mặt có phạm vi độ phân giải đo khác Các dụng cụ đo theo phương pháp tiếp xúc phù hợp cho phép đo phạm vi lớn Các kỹ thuật quang học có phạm vi đo độ phân giải tương đối cao Trong đó, họ thiết bị AFM đạt độ phân giải cao phạm vi đo lại hạn hẹp 1.5 Kết luận chương Chương trình bày tổng quan đo lường cấu trúc hình học 3D bề mặt Một số kỹ thuật đo cấu trúc hình học 3D bề mặt xem xét so sánh, bao gồm đại diện cho phương pháp tiếp xúc không tiếp xúc Qua tìm hiểu kỹ thuật đo cấu trúc hình học 3D bề mặt chi tiết, phương pháp WLI lựa chọn làm phương pháp để xây dựng thiết bị Chương ĐO CẤU TRÚC HÌNH HỌC BA CHIỀU BỀ MẶT BẰNG GIAO THOA ÁNH SÁNG TRẮNG - CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ KỸ THUẬT XỬ LÝ 2.1 Giới thiệu chung WLI Phương pháp WLI sử dụng hiệu thiết bị đo cấu trúc 3D bề mặt chi tiết phát triển Davidsion (1987) (với tên gọi: Đầu dò ghi ảnh kết hợp sử dụng sơ đồ Linnik [41]) Kino , Lee (1990) [27, 90] có cơng bố hệ thống WLI có tên gọi kính hiển vi quét kết hợp CSI (phát triển từ giao thoa kế Leitz Mirau Bhusan (1985) [15 ,24], sử dụng vật kính hiển vi Mirau) Sau loạt nghiên cứu WLI với biến thể khác [46, 50, 51, 68, 89, 158] 2.2 Nguyên lý hoạt động WLI Sơ đồ quang học hệ WLI thể Hình 2.1 Hệ WLI sử dụng nguồn sáng trắng vật kính hiển vi giao thoa Ý tưởng WLI sử dụng hình ảnh giao thoa cục tạo đường đồng mức (đồng độ cao) so sánh bề mặt mẫu đo với mặt phẳng chuẩn Hình 2.1: Sơ đồ quang học giao thoa kế ánh sáng trắng 2.3 Nguyên lý tạo tín hiệu giao thoa Cường độ tín hiệu WLI tính tốn theo cơng thức (2.7) thể Hình 2.4 I AB ( z)  4 AB U 0   2    4        cos    z  z0  cos    sin cos d  d  bandwidth  (2.7) Hình 2.4: Kết tính tốn tín hiệu WLI sử dụng vật kính Mirau 2.4 Hình ảnh WLI Khác với giao thoa ánh sáng đơn sắc, WLI xuất phạm vi vài micromet vài chục micromet xung quang vị trí OPD = (Hình 2.5) Hình 2.5: Vân giao thoa cách tử thu sử dụng (a) nguồn sáng đỏ, (b) nguồn ánh sáng trắng [108] 2.5 Xử lý tín hiệu WLI Cấu trúc hình học 3D đối tượng dựng lại cách xác định vị trí đỉnh đường bao tín hiệu giao thoa điểm ghi lại trình quét dọc trục Một số kỹ thuật xử lý tín hiệu WLI điển hình: 2.5.1 Phương pháp xác định đường bao tín hiệu 2.5.2 Phương pháp trọng tâm 2.5.3 Phương pháp ước lượng pha 2.5.4 Phương pháp kết hợp kỹ thuật ước lượng pha kỹ thuật xác định đường bao biến điệu 2.5.5 Phân tích miền tần số 2.6 Một số vấn đề kỹ thuật đo kiểm WLI Mặc dù có lợi đáng kể, WLI có vài hạn chế Những hạn chế chủ yếu phát sinh từ tương tác ánh sáng với bề mặt mẫu phương pháp tái tạo cấu trúc hình học 3D bề mặt Sự phát triển kỹ thuật WLI chủ yếu dựa vào việc giải hạn chế đồng thời nâng cao độ xác tốc độ đo Có thể kể đến số vấn đề liên quan đến nội dung giải luận án bao gồm: 2.6.1 Sai số thứ tự vân giao thoa 2.6.2 Ảnh hưởng vật liệu mẫu đo đến WLI 2.6.3 Tăng độ phân giải WLI 2.6.4 Vấn đề nguồn sáng WLI 2.7 Kết luận chương Trong chương này, nguyên lý hoạt động thành phần cấu tạo WLI thảo luận chi tiết bao gồm nguyên lý tạo tín hiệu WLI, hình ảnh giao thoa kỹ thuật xử lý tín hiệu Cuối chương, số vấn đề kỹ thuật WLI có liên quan đến luận án đề cập Chương XÂY DỰNG MƠ HÌNH THIẾT BỊ ĐO CẤU TRÚC HÌNH HỌC BA CHIỀU BỀ MẶT BẰNG GIAO THOA ÁNH SÁNG TRẮNG Chương trình bày việc xây dựng phịng thí nghiệm mơ hình thiết bị WLI phù hợp với yêu cầu đo cấu trúc hình học 3D bề mặt tế vi chi tiết 3.1 Các thành phần hoạt động mơ hình hệ thống WLI Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống hiển vi giao thoa ánh sáng trắng để đo cấu trúc hình học ba chiều bề mặt 11 Những thông số thành phần sơ đồ giao thoa đưa vào mơ hình tốn học để tính tốn xây dựng hình ảnh WLI Kết quả, hình ảnh WLI mơ hình ảnh thu từ thực nghiệm đối tượng đo có phù hợp tốt phân bố màu sắc vân giao thoa Hình 3.14 thể hình ảnh vân WLI mơ hình ảnh thu từ thực nghiệm với mẫu chỏm cầu Hình 3.16 Hình ảnh vân giao thoa với mẫu chỏm cầu (a) hình ảnh mơ phỏng; (b) ảnh thực nghiệm 3.2.2 Tái tạo cấu trúc hình học 3D bề mặt mơ Sử dụng hình ảnh mơ phỏng, chúng tơi tái tạo cấu trúc hình học 3D bề mặt kỹ thuật tìm cực đại tín hiệu Q trình mô tái tạo cấu trúc 3D bề mặt cầu thể Hình 3.15 Hình 3.17: Kết mơ hoạt động thiết bị 12 (a) Hình ảnh vân giao thoa mơ vị trí, (b) Tập hợp ảnh giao thoa vị trí khác theo chiều z, (c) Tín hiệu giao thoa theo chiều z ứng với điểm P mẫu đo, (d) cấu trúc hình học 3D mặt cầu tái tạo từ hình ảnh giao thoa mơ 3.3 Hiệu chuẩn mơ hình thiết bị 3.3.1 Hiệu chuẩn kích thước ngang Hiệu chuẩn kích thước ngang mơ hình thiết bị thực kính hiển vi thơng thường Sử dụng thước chuẩn OMO với bước 0,01 mm chiều dài mm để hiệu chuẩn, xác định hệ số chuyển đổi kích thước ngang mơ hình thiết bị K= (240 ± 8) nm/pixel 3.3.2 Hiệu chuẩn dịch chuyển dọc trục Hiệu chuẩn dịch chuyển dọc trục cho hệ thống đo WLI thực chất xác định độ xác đo theo chiều z hệ thống Chúng đề xuất thực kỹ thuật đo dịch chuyển sử dụng hệ kính hiển vi WLI Mirau, kết hợp với mặt phẳng nghiêng mà không cần thêm thiết bị khác, qua xác định λ0 = 578 nm khảo sát dịch chuyển PZT (b) Cường độ Gương tham chiếu Đến cảm biến Từ nguồn sáng x Vị trí B Vị trí A z y Δx O1 α x (a) O2 (c) H Δz Cường độ Gương bán phản xạ x O1 Δ x O2 Bề mặt mẫu Hình 3.21: (a) Nguyên lý đo dịch chuyển dọc xử lý ảnh vân giao thoa mặt phẳng nghiêng hai vị trí liền kề, (b) (c) cường độ tín hiệu giao thoa theo hướng x hai ảnh hai vị trí A B tương ứng 13 Nguyên lý xác định dịch chuyển dọc trục thể Hình 3.21 Ở đây, lượng dịch chuyển dọc Δz xác định lượng dịch chuyển ngang O1O2 đỉnh vân giao thoa ánh WLI Kết hiệu chuẩn thể Hình 3.23 Như vậy, hệ vi dịch chuyển sử dụng mơ hình thiết bị có phạm vi dịch chuyển 7000 nm bước dịch nhỏ đến 10 nm Hình 3.23 (a) Bước dịch chuyển PZT với tăng điện áp từ V đến 100 V, bước tăng 0,2 V (b) So sánh lượng dịch chuyển đo từ thực nghiệm với công bố nhà sản xuất 3.3.3 Tần số cắt mơ hình thiết bị Tần số cắt mơ hình thiết bị tính tốn dựa vào thông số thành phần sử dụng mơ hình Qua tính tốn: tần số cắt quang học: 1,47 μm-1, tần số cắt dụng cụ: 2,08 μm-1 Như vậy, độ phân giải ngang hệ thống 0,68 μm 3.4 Phát triển kỹ thuật xử lý tín hiệu WLI 3.4.1 Tái tạo cấu trúc hình học 3D bề mặt kỹ thuật làm khớp tín hiệu Chúng đề xuất kỹ thuật để tái tạo cấu trúc hình học 3D bề mặt phương pháp làm khớp tín hiệu giao thoa với hàm lý thuyết để truy xuất độ cao bề mặt Tín hiệu giao thoa điểm bề mặt làm khớp với hàm lý thuyết công thức (3.14) để tìm vị trí z0 14   z  z 2   4  I ( z )  I B   I B exp    ( z  z0 )      cos    lc    0  (3.14) Hình 3.27 thể cấu trúc 3D bề mặt cách tử Ronchi 40 vạch/mm tái tạo kỹ thuật làm khớp đề xuất So với kết đo từ máy đo WLI thương mại ZeGage, kết đo từ mơ hình thiết bị có phù hợp tốt khoảng cách chiều cao vạch Hình 3.27: Cấu trúc hình học 3D bề mặt khu vực nhỏ cách tử Ronchi 40 vạch/mm tái tạo kỹ thuật làm khớp tín hiệu WLI 3.4.2 Tái tạo biên dạng bề mặt sử dụng phối hợp phương pháp cực đại phương pháp làm khớp tín hiệu WLI Nhằm khắc phục hạn chế tốc độ phương pháp làm khớp tín hiệu WLI, chúng tơi đề xuất sử dụng kết hợp phương pháp tìm cực đại với phương pháp làm khớp tín hiệu WLI để vừa tận dụng độ xác khả chống nhiễu phương pháp làm khớp, vừa tận dụng tốc độ xử lý phương pháp cực đại Lưu đồ thuật tốn kỹ thuật thể Hình 3.30 Theo thuật toán này, tọa độ độ cao xác định theo phương pháp tìm cực đại tín hiệu, điểm nghi ngờ sử dụng phương pháp làm khớp tín hiệu 15 Bắt đầu Thu nhận ảnh theo vị trí z thơng số hệ thống - Xử lý lọc nhiễu; Xác định chiều rộng ảnh: W, chiều cao ảnh: H x = 1, y = Tìm z(x,y) phương pháp làm khớp với hàm lý thuyết z(x,y) Sai Đúng y≤H x=x+1 Sai x = 1, y=y+1 z(x,y) x≤W Đúng Tìm z(x,y) phương pháp tìm cực đại tín hiệu |z(x,y) – z(x-1,y)| ≤ λ/2 |z(x,y) – z(x,y-1)| ≤ λ/2 Sai Đúng Kết thúc Hình 3.30: Lưu đồ thuật tốn xử lý ảnh WLI kết hợp Sử dụng thuật toán trên, biên dạng bề mặt cách tử Ronchi 40 vạch/mm tồn thị giới hệ (308 μm × 173 μm) tái 16 tạo với tốc độ cải thiện nhiều (với tập ảnh giao thoa, vùng xử lý 50 pixel × 200 pixel, tốc độ cải thiện 2650 lần) Hình 3.31: Biên dạng 3D bề mặt cách tử Ronchi 40 vạch/mm khôi phục từ kỹ thuật kết hợp 3.5 Kết luận chương Chương đạt kết sau: Đã phân tích yêu cầu, lựa chọn thành phần từ xây dựng thành cơng hệ thiết bị hiển vi WLI sử dụng vật kính Mirau có thơng số sau: Độ phóng đại 20X, thị giới 308 μm × 173 μm, độ phân giải ngang 0,68 μm tương ứng với tần số cắt thiết bị 1,47 μm-1 Hệ vi dịch chuyển sử dụng gốm áp điện PZT có phạm vi dịch chuyển 7000 nm, sai số 2%, bước dịch chuyển nhỡ cỡ 10 nm Đã đề xuất mơ hình tốn học mơ hình ảnh giao thoa hoạt động thiết bị Đã hiệu chuẩn trục ngang, trục dọc xác định tần số cắt thiết bị, đặc biệt đề xuất phương pháp thực thành công việc hiệu chuẩn dọc trục hệ thống kỹ thuật giao thoa Đã đề xuất kiểm nghiệm kỹ thuật xử lý tín hiệu WLI Đó kỹ thuật làm khớp tín hiệu WLI với hàm lý thuyết đề xuất phương pháp kết hợp với phương pháp tìm cực đại tín hiệu để tăng tốc độ xử lý 17 Chương MỘT SỐ KẾT QUẢ ĐO CẤU TRÚC HÌNH HỌC 3D BỀ MẶT SỬ DỤNG MƠ HÌNH THIẾT BỊ Trên sở thiết bị WLI, kỹ thuật xử lý, phần mềm đạt Chương 3, chương ứng dụng để đo cấu trúc hình học 3D bề mặt số chi tiết quang, Các phép đo này, mặt để đánh giá khả hoạt động mơ hình thiết bị, mặt khác để chứng tỏ khả ứng dụng mơ hình thiết bị xây dựng 4.1 Hình ảnh tín hiệu giao thoa số bề mặt quang thu từ mơ hình thiết bị Mơ hình thiết bị WLI xây dựng sử dụng để thu nhận hình ảnh giao thoa tín hiệu giao thoa theo vị trí ảnh số mẫu bề mặt khác thể Hình 4.1 - 4.2 Hình 4.1: (a) Hình ảnh giao thoa mẫu mặt nạ pha gia công theo phương pháp tiện siêu xác mũi kim cương vật liệu nhựa PMMA.(b) Tín hiệu giao thoa điểm ảnh Hình 4.2: (a) Hình ảnh giao thoa mẫu cách tử Ronchi 40 vạch/mm (b) Tín hiệu giao thoa điểm ảnh 18 4.2 Đo cấu trúc hình học bề mặt chi tiết quang 4.2.1 Đo chiều dày lớp màng mỏng quang học sử dụng hình ảnh WLI Trong phần này, kỹ thuật xác định chiều dày lớp màng dựa vào hình ảnh WLI Tương tự phương pháp xác định dịch chuyển dọc trục công bố Chương 3, chiều dày lớp màng tính tốn thông qua dịch chuyển ngang hai hệ vân xuất mặt lớp màng bề mặt đế Kết xác định chiều dày hai màng MgF2 dày 338 ± 88 nm 1200 ± 100 nm (đo Alpha Step D500) đo kỹ thuật đề xuất cho kết lần lược 338 ± nm 1219 ± 12 nm 4.2.2 Đo màng mỏng phương pháp xử lý nhiều ảnh WLI Hình 4.8 b: Kết tái tạo cấu trúc 3D biên lớp màng MgF2 dày 200 nm Áp dụng kỹ thuật xử lý đề xuất, luận án xử lý tái tạo cấu trúc hình học 3D biên lớp màng MgF2 Độ dày màng khoảng 500 nm 200 nm kiểm soát tinh thể thạch anh trình bốc bay màng buồng chân khơng Hình 4.8b thể cấu trúc bề mặt 3D biên lớp màng MgF2 dày 200nm 4.2.3 Đo cấu trúc hình học 3D bề mặt ma trận vi thấu kính Sử dụng mơ hình thiết bị xây dựng, tiến hành thực nghiệm đo cấu trúc bề mặt ma trận vi thấu kính thương mại 19 MLA150-7AR hãng Thorlab (Anh) So với kết đo phương pháp tiếp xúc sử dụng máy đo Alpha Step D500 (hãng KLA) phương pháp WLI sử dụng máy GeGage (hãng Zygo), kết đo mơ thình thiết bị có tương đồng tốt Hình 4.10: Kết đo thơng số ma trận vi thấu kính MLA1507AR 4.2.4 Xác định bán kính cong vi thấu kính thuật tốn làm khớp liệu cấu trúc hình học 3D bề mặt chỏm cầu Áp dụng thuật kỹ thuật làm khớp liệu 3D bề mặt chỏm cầu vi thấu kính với mặt cầu lý thưởng, chúng tơi xác định bán kính vi thấu kính: rm = 3,088 ± 0,026 mm, phù hợp với giá trị công bố nhà sản xuất r = 3,063 mm 4.2.5 Đo cấu trúc hình học 3D bề mặt chi tiết quang gia công phương pháp tiện sử dụng mũi kim cương đơn điểm Với mơ hình thiết bị WLI, cấu trúc hình học 3D 2D bề mặt mặt nạ pha chế tạo phương pháp tiện sử dụng mũi kim cương đơn điểm vật liệu PMMA tái tạo thể Hình 4.13 Hình 4.14 Rõ ràng, cấu trúc hình học 3D mặt nạ pha cho thấy 20 vết gia cơng xoắn ốc dao tiện để lại có mấp mô xấp xỉ 80 nm Bước dao tiện q trình gia cơng 10 μm Hình 4.13: Cấu trúc hình học 3D bề mặt mặt nạ pha Hình 4.14: Biên dạng đường cắt ngang bề mặt chi tiết mặt nạ pha 4.3 Đo cấu trúc hình học bề mặt chi tiết khí 4.3.1 Đo cấu trúc hình học 3D bề mặt cầu kim loại Hình 4.15: Kết tái tạo cấu trúc 3D đường cắt ngang qua đỉnh 21 chỏm cầu (a, b) thuật tốn tìm cực đại, (c, d) thuật toán kết hợp 4.3.2 Đánh giá chất lượng bề mặt Hình 4.17: Kết đo cấu trúc hình học 3D bề mặt mẫu N2-Grinding Hình 4.18: Một lát cắt ngang bề mặt mẫu chuẩn độ nhám N2-Grinding 4.4 Đánh giá sơ độ xác thiết bị Cho đến chưa có cơng bố độ khơng bảo đảm đo thiết bị WLI, nhiều nguồn sai số riêng lẻ xác định định lượng Các nhà sản xuất thiết bị dựa tuyên bố độ lặp lại phép đo mẫu chiều cao để đánh giá độ xác thiết bị đánh giá mức độ phù hợp với người dùng ứng dụng thiết bị WLI để đo mẫu tương tự Do điều kiện thực nghiện nước gặp nhiều khó khăn, việc đánh giá độ xác mơ hình thiết bị sử dụng mẫu chiều cao chuẩn chưa thực Luận án sơ đánh giá độ 22 xác mơ hình thiết bị thơng qua việc đo cấu trúc hình học ba chiều số bề mặt mẫu đối chứng kết đo từ thiết bị thương mại Một số kết đo cấu trúc hình học 3D bề mặt chi tiết khác tổng hợp cho thấy, mơ hình thiết bị có độ xác tương đương với thiết bị WLI thương mại số thiết bị đo khác với sai lệch cỡ 1% 4.5 Kết luận chương Chương đạt kết sau: Đã khảo sát hoạt động thiết bị WLI mà luận án xây dựng bao gồm: thu nhận hình ảnh giao thoa tái tạo biên dạng 3D bề mặt số chi tiết quang, Ngồi kỹ thuật xử lý tín hiệu WLI đề xuất chương áp dụng, chương đề xuất áp dụng phương pháp xác định thông số chiều cao lớp màng mỏng (hoặc bề mặt bậc) hình ảnh giao thoa, áp dụng thuật toán làm khớp với mặt cầu để tìm thơng số bán kính mặt cầu Tất kết khảo sát thực nghiệm chứng tỏ mơ hình thiết bị xây dựng hoạt động tốt, cho kết sát với kết đo thiết bị đo thương mại khác KẾT LUẬN Luận án đạt mục tiêu đề nghiên cứu phát triển mơ hình thiết bị đo cấu trúc hình học 3D bề mặt chi tiết quang, sở sử dụng WLI Luận án có đóng góp sau: Đã phát triển mơ hình tốn phương pháp mơ hình ảnh vân giao thoa ánh sáng trắng có tính tới ảnh hưởng phổ nguồn sáng độ nhạy màu cảm biến ảnh Đã đề xuất thực thành công kỹ thuật đo vi dịch chuyển sở giao thoa ánh sáng trắng kết hợp với mặt phẳng nghiêng 23 Kỹ thuật áp dụng để hiệu chỉnh dọc trục cho mơ hình thiết bị đạt độ xác cao Đã phát triển áp dụng thành công hai phương pháp để xử lý hình ảnh vân giao thoa tái tạo biên dạng 3D bề mặt mẫu đo là: (1) Phương pháp làm khớp tín hiệu WLI với hàm lý thuyết; (2) Phương pháp kết hợp kỹ thuật tìm cực đại tín hiệu kỹ thuật làm khớp đường cong tín hiệu giao thoa Với kỹ thuật này, kết tái tạo cấu trúc hình học 3D bề mặt vừa đảm bảo độ xác, vừa rút ngắn thời gian xử lý Trên sở vật kính hiển vi giao thoa, cảm biến ảnh khối dẫn động áp điện thương mại, luận án xây dựng thành cơng phịng thí nghiệm mơ hình thiết bị WLI có thơng số sau: - Hệ hiển vi tạo ảnh sử dụng vật kính giao thoa Mirau độ phóng đại 20X; độ số 0,4; thị giới ngang 308 μm × 173 μm; độ phân giải ngang 0,68 μm tương ứng với tần số cắt thiết bị 1,47 μm-1; số lượng điểm liệu: 1280×720 pixel Hệ số chuyển đổi kích thước điểm ảnh kích thước thật K = 0,240 ± 0,008 μm/pixel - Hệ chiếu sáng Köhler dùng nguồn sáng LED trắng; - Cơ cấu vi dịch chuyển chiều dẫn động gốm áp điện có phạm vi dịch chuyển 7000 nm, bước dịch chuyển cỡ 10 nm, sai số lớn phạm vi dịch chuyển 2% Theo thơng tin mà chúng tơi có, hệ đo WLI xây dựng nước, cho phép đo khơng tiếp xúc cấu trúc hình học 3D tế vi bề mặt chi tiết quang sau đánh bóng Đã ứng dụng mơ hình thiết bị để đo đạc, khảo sát cấu trúc hình học 3D bề mặt số chi tiết quang điển hình, độ xác cao như: ma trận vi thấu kính, cách tử, mặt nạ pha, bề mặt cầu kim loại, mẫu độ nhám, cho kết phù hợp tốt so với phương pháp 24 đo khác Độ xác đo đạt tương đương với thiết bị WLI thương mại số thiết bị đo khác với sai lệch cỡ 1% Đã đề xuất áp dụng thành cơng phương pháp trích xuất thơng tin: (1) đo độ dày màng mỏng sử dụng hình ảnh WLI; (2) xác định bán kính mặt cầu từ liệu 3D bề mặt thuật toán làm khớp với mặt cầu lý tưởng KIẾN NGHỊ Kết nghiên cứu luận án chứng tỏ tính khả thi việc tự xây dựng thiết bị WLI hồn chỉnh để đo cấu trúc hình học 3D bề mặt chi tiết Tuy nhiên, cịn nhiều khía cạnh cần tiếp tục nghiên cứu phát triển khảo sát thêm nhằm nâng cao hiệu thiết bị như: nâng cao độ phân giải, độ xác, phạm vi đo, độ lặp lại, khả tự động hệ thống Nội dung nghiên cứu kể đến: • Tăng tốc độ chụp ảnh để giảm thiểu tác động nhiễu môi trường, nhiễu loạn khơng khí, thay đổi nhiệt độ, rung động; • Hồn thiện tích hợp tất hoạt động thiết bị vào chương trình ứng dụng Việc xử lý tăng tốc cách sử dụng thuật toán song song máy tính cấu hình cao nhằm thực hóa phép đo thời gian thực; • Tiếp tục nghiên cứu phân tích đánh giá độ khơng bảo đảm đo thiết bị hệ thống đo lường hoàn chỉnh Kiểm tra chi tiết sai số liên quan đến quy trình hiệu chuẩn nghiên cứu giảm thiểu sai số cách sử dụng linh kiện có đặc tính kỹ thuật tốt giúp cải thiện độ xác hệ thống đo lường DANH MỤC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ Phan Ngun Nhuệ, Lê Hồng Hải, Dương Chí Dũng (2017), “Khảo sát đặc tính dịch chuyển truyền động piezo dạng đĩa phương pháp xử lý ảnh vân giao thoa,” Hội nghị học toàn quốc lần thứ X, Tập 1, p410-415 Lê Duy Tuấn, Lê Hoàng Hải, Phan Nguyên Nhuệ (2017), “Xây dựng thuật toán phần mềm xử lý ảnh giao thoa dùng đánh giá chất lượng hệ thống chi tiết quang học,” Những tiến Quang học, Quang tử, Quang phổ ứng dụng IX, p389-393 Phan Nguyên Nhuệ, Lê Hoàng Hải, Dương Chí Dũng (2018), “Mơ hình ảnh vân giao thoa theo sơ đồ hiển vi giao thoa Mirau sử dụng nguồn sáng LED trắng cảm biến CCD màu,” Những tiến Quang học, Quang tử, Quang phổ ứng dụng X, p386-392 Phan Nguyen Nhue, Le Hoang Hai, Duong Chi Dung (2019), “Measuring optical coating thickness using a single shot white light interference pattern”, Tạp chí Khoa học Kỹ thuật, Học viện KTQS, Số 198, p19-27 Nhue Nguyen Phan, Hai Hoang Le, Dung Chi Duong, and Duong Van Ta (2019), “Measurement of nanoscale displacements using a Mirau white-light interference microscope and an inclined flat surface,” Optical Engineering, 58(6), 064106 Nhue Nguyen Phan, Hai Hoang Le, and Dung Chi Duong (2019), “Surface curvature measurement of microlenses using a white-light interference microscope and fast geometric fit algorithm,” Optical Engineering, 58(12), 124105 ... bề mặt chi tiết quang học cao Vì vậy, đề tài ? ?Nghiên cứu phương pháp xây dựng mơ hình thiết bị đo cấu trúc hình học ba chi? ??u bề mặt bề mặt tế vi chi tiết quang theo nguyên lý giao thoa ánh sáng... trúc hình học bề mặt, tiến tồn Chương 2: Đo cấu trúc hình học ba chi? ??u bề mặt giao thoa ánh sáng trắng - sở lý thuyết kỹ thuật xử lý Chương 3: Xây dựng mô hình thiết bị đo cấu trúc hình học ba chi? ??u. .. xử lý kết Đối tượng nghiên cứu luận án Đối tượng nghiên cứu luận án phương pháp thiết bị đo lường cấu trúc hình học 3D bề mặt chi tiết quang, Phạm vi nghiên cứu -Xây dựng mơ hình thiết bị đo cấu