Các phương pháp tạo ánh sáng cấu trúc- 123docz.net

Có nhiều cách tạo ra các dạng ánh sáng cấu trúc đáp ứng việc tạo ra các loại mẫu chiếu như đã phân tích ở trên. Có ba phương pháp cơ bản thường được sử dụng tạo ánh sáng cấu trúc là: dùng hệ giao thoa laser, chiếu sáng cách tử, dùng máy chiếu. Với công nghệ máy chiếu phát triển rất nhanh và có những tiến bộ vượt bậc các thiết bị máy quét 3D thường được chế tạo sử dụng các máy chiếu được thiết kế đặc trưng phục vụ mục đích thiết bị.

2.2.1. Tạo ánh sáng cấu trúc bằng giao thoa

Đối với các vật đo nhỏ đòi hỏi độ chính xác cao thường dùng các dạng giao thoa kế để tạo ra các dạng hệ vân chiếu. Phương pháp tạo ánh sáng cấu trúc này được phát triển sớm nhất và vẫn còn được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực đo lường.

a. Nguyên lý giao thoa ánh sáng:

Khái niệm cơ bản đằng sau phương pháp giao thoa dịch pha là dịch pha thời gian biến thiên được sinh ra bởi mặt sóng tham khảo và mặt sóng kiểm tra trong

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

PHẠM THÁI NINH 42 11BCTM.KH phương pháp đo giao thoa. Một tín hiệu biến thiên theo thời gian được sinh ra tại mỗi điểm đo trong vân giao thoa và pha tương đối giữa hai mặt sóng tại mỗi điểm đó được mã hóa bên trong các tín hiệu này.

Theo vật lý quang học, phương trình mặt sóng của nguồn sáng:[5]

(12) Trong đó x và y là tọa độ không gian, a(x,y) là biên độ mặt sóng và

là pha mặt sóng. Ở đây, λ là bước sóng, h(x,y) là sai số về chiều cao bề mặt được kiểm tra bằng phản xạ.

Biểu thức tổng quát của mặt sóng tham khảo và kiểm tra trong máy đo giao thoa là: [5]

(13) Và

(14)

Trong đó và là biên độ mặt sóng, và là pha của mặt sóng, là dịch pha thời gian biến thiên. Khi hai mặt sóng giao thoa nhau, kết quả là cường độ sáng tuân theo:[5]

(15) Hay

(16)

Trong đó là cường độ trung bình.

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

PHẠM THÁI NINH 43 11BCTM.KH Ta gọi sự sai khác pha là thì phương trình cơ bản của dịch pha sẽ là:[5]

(17) Trong đó là dịch pha biến thiên thời gian, I’(x,y) là cường độ đường chéo, I’’(x,y) là nửa giá trị điều biến cường độ peak-to-valley và là pha chưa biết liên quan tới thời gian dịch pha của dao động sóng sin. Pha của mặt sóng tại vị trí này có thể dễ dàng tính được từ khoảng trễ thời gian. Toàn bộ pha sóng chưa biết có thể đo được bằng cách theo dõi và so sánh thời gian trễ này tại mợi điểm cần đo.

Hình 2.20 mô tả vân giao thoa hình thành bởi hai nguồn sóng kết hợp trên bề mặt phẳng và trên bề mặt phức tạp. Ở Hình 2.20(a) và Hình 2.20(b), nguồn sáng là nguồn điểm; Hình 2.20(c) và Hình 2.20(d) là nguồn sáng song song, mặt sóng là mặt phẳng.

Hình 2.20: Nguyên lý giao thoa. (a)-(b) vân giao thoa do hai nguồn sáng điểm kết hợp. (c)-(d) vân giao thoa do hai nguồn sáng phẳng kết hợp. [5]

b. Phương pháp chiếu vân giao thoa.

Hình 2.20 (c) và Hình 2.20 (d) minh họa hình dạng vân giao thoa do hai sóng phẳng giao thoa. Dạng vân này cũng có thể thu được tương đương bằng cách chiếu vuông góc đường vân hình sin thông thường lên bề mặt vật thể theo hướng song song với mặt phẳng chứa nguồn sáng. Ví dụ, các vạch sáng tối trên tượng Lincoln

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

PHẠM THÁI NINH 44 11BCTM.KH do hiện tượng giao thoa có thể làm tương tự bằng cách chiếu trực tiếp các vạch sáng tối lên bề mặt tượng bằng máy chiếu.

Coi rằng hai nguồn sóng phẳng tại vị trí và hướng lan truyền là tương ứng. Khi đó hàm sóng có thể viết:[5]

(18)

Sóng giao thoa:[5]

(19)

Cường độ ánh sáng khi giao thoa:[5]

(20)

Vân giao thoa có thể thu được bằng cách chiếu một chùm song song lên bề mặt chi tiết theo hướng trục z và cường độ ánh sáng chiếu như công thức trên. Như vậy, thay vì phải dùng hai nguồn sáng kết hợp để tạo vân giao thoa trên bề mặt vật thể, ta có thể tạo ra dạng đường vân tương tự bằng cách chiếu trực tiếp đường vân lên vật thể theo và camera có thể thu theo nhiều hướng khác nhau. Phương pháp này gọi là chiếu đường vân.

Chú ý rằng trong phép đo thực tế, ảnh đường vân luôn được tạo ra bởi hai nguồn sáng song song một góc nhỏ hơn 1800 để chiếu lên vật thể. Cho đơn giản, chúng ta cho chúng là 1800.

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

PHẠM THÁI NINH 45 11BCTM.KH

c. Một số hệ giao thoa cơ bản

 Hệ giao thoa của Twyman–Green

Hình 2.21. Hệ giao thoa cơ bản của Twyman – Green [6].

Hình 2.21: Hệ giao thoa của Twyman-Green: Ánh sáng từ một nguồn laser được mở rộng bởi một ống kính phân kỳ, sau đó được tách thành các chùm tia song song. Chùm tia đi qua một gương cầu lồi được đặt sao cho điểm hội tụ trùng với bán kính cong của bề mặt cần kiểm tra. Các vân giao thoa hiện ta được quan sát bởi hệ thông camera và ống kính.

 Hệ giao thoa của Mach - Zender

Hình 2.22: Hệ giao thoa của Mach-Zehnder [6].

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

PHẠM THÁI NINH 46 11BCTM.KH Trên hình 2.22 là hệ giao thoa cơ bản của Mach – Zender. Ánh sáng được phát ra từ một nguồn laser được mở rộng thành các chùm tia. Qua bộ tách chùm thành 2 chùm tia “chùm mẫu” và “chùm quy chiếu” được phản xạ qua hai gương và đến 2 đầu dò. Hệ thống gương chuyển động sẽ tạo ra sự giao thoa và được quan sát bằng hệ thống ống kính và camera.

 Hệ giao thoa của Fizeau

Hình 2.23. Hệ giao thoa của Fizeau [6]

Hình 2.23: Hệ giao thoa của Fizeau: Ánh sáng từ nguồn lasez đi qua bộ lọc không gian qua một lỗ nhỏ đặt tại tâm tiêu cự của một thấu kính chuẩn. Giữa bộ lọc không gian và ống kính chuẩn là bộ tách chùm. Chùm tia tiếp tục đi qua một thấu kính trung gian có 2 bề mặt khác nhau (một bề mặt tiếp giáp với thấu kính chuẩn có chất lượng tốt, bề mặt còn lại không được mạ). Một phần chùm tia sẽ đi qua bề mặt không chuẩn này được phản xạ từ bề mặt kiểm tra kết hợp với chùm tia chuẩn trực sẽ tạo nên sự giao thoa và được quan sát bằng hệ thống ống kính và camera.

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

PHẠM THÁI NINH 47 11BCTM.KH

2.2.2. Tạo ánh sáng cấu trúc bằng cách tử.

Có nhiều dạng mẫu ánh sáng cấu trúc được tạo ra bằng chiếu các nguồn sáng qua cách tử nhiễu xạ. Tùy theo mục đích mã hóa có thể thiết kế hệ quang chiếu khác nhau từ đó có thể tạo ra nhiều dạng vân sáng cấu trúc. Hình 2.24 thể hiện một sơ đồ nguyên lý tạo ra ánh sáng cấu trúc bằng chiếu sáng qua cách tử. Cường độ ánh sáng xác định theo công thức:[4]

(21)

Hình 2.24. Sơ đồ nguyên lý tạo ra ánh sáng cấu trúc bằng chiếu sáng qua cách tử

Trên hình 2.24 là miêu tả nguyên lý tạo ra ánh sáng cấu trúc bẳng cách tử. Ánh sáng từ nguồn sáng qua hệ thấu kính hội tụ đi qua tấm lưới cách tử (trên tấm lưới cách tử có rất nhiều các khe hẹp) tạo vùng giao thoa ánh sáng chiếu lên bề mặt của vật. Dịch chuyển lưới cách tử sẽ thu được hình dạng của hệ vân giao thoa.

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

PHẠM THÁI NINH 48 11BCTM.KH

Hình 2.25. Hệ vân thu được từ phương pháp tạo ánh sáng cấu trúc bằng cách tử

Trên hình 2.25 là hệ vân thu được từ phương pháp tạo ánh sáng cấu trúc bằng cách tử. Dịch chuyển và quay lưới cách tử sẽ thu được hệ vân giao thoa có hình dạng vân và bước vân khác nhau. Hình ảnh của vân giao thoa được phản xạ qua gương và thu được từ camera CCD. Trên hình là vân thu được có dạng Sin và bước vân rất nhỏ cỡ 1µm.

2.2.3. Tạo ánh sáng cấu trúc bằng máy chiếu

a. Khái niệm:

Đây là phương pháp không sử dụng ánh sáng kết hợp, cơ bản hoạt động như một máy chiếu hình ảnh. Các vân được tạo thành bởi một khung hình bên trong máy

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

PHẠM THÁI NINH 49 11BCTM.KH chiếu. thông thường là một màn hình tinh thể lỏng (LCD), DLP (Digital Light Processing) hoặc màn hình LCOS (Liquid Crystal on Silicon).

Hình 2.26: Hệ thống thu nhận sử dụng 2 camera [6]

Ngoài ra còn có một phương pháp chiếu sử dụng DLP. Màn hình DLP hấp thụ không đáng kể ánh sáng và do đó cho một cường độ ánh sáng rất lớn. Chúng cho ta sự mô phỏng với giá trị cực kỳ tuyến tính cũng như được điều khiển bằng cách điều chỉnh chiều dài của bước dịch chuyển.

Một cách chủ yếu, sự tạo thành các vân bằng máy chiếu có sự gián đoạn nhỏ gần giống với ranh giới của điểm ảnh trên màn hình. Tuy nhiên một cách đầy đủ thì các ranh giới nhỏ này có thể gần như được bỏ qua như một tiêu điểm nhỏ nhất.

Một thiết bị đo thông thường là sự kết hợp bao gồm một máy chiếu vân và ít nhất một camera. Để có nhiều ứng dụng, thì có hai camera ở hai phía đối diện của máy chiếu là hữu dụng nhất như trên hình 2.26.

b. Phương pháp tạo ánh sáng cấu trúc bằng máy chiếu.

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

PHẠM THÁI NINH 50 11BCTM.KH Trên hình 2.27 là lưu đồ của phương pháp tạo ánh sáng cấu trúc bằng máy chiếu. Các dạng vân mẫu ánh sáng cấu trúc được tạo ra thông qua phần mềm tạo ảnh mẫu với sự hỗ trợ của công nghệ thông tin và máy tính. Ảnh mẫu được chiếu lên bề mặt đo qua hệ thống máy chiếu số, hình ảnh được thu lại qua hệ thống camera và được lưu trữ và xử lý trên máy tính.

2.3.4. Các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng tạo ảnh mẫu ánh sáng cấu trúc bằng phương pháp Projector.

a. Quang sai hệ quang.

Như đã biết, mọi hệ quang đều có quang sai ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh thu được (làm ảnh bị mờ, ảnh bị biến dạng). Mọi vấn đề xuất phát từ định luật khúc xạ (định luật Snell) [2]:

(22) Khai triển Taylo cho hàm:

(23) Ta có quang học bậc 1 khi cho gần đúng nghĩa là các tia tới rất gần trục quang, có góc tới rất nhỏ. Hệ quang được dùng là hoàn hảo, không có quang sai ở miền gần trục.

Khi góc tới tăng lên, Ta có quang học bậc 3, khi này các tia cũng không còn gần trục nữa và hệ quang xuất hiện quang sai bậc 3. Như vậy, việc thay thế hàm số sin bằng chuỗi gần đúng trong định luật khúc xạ cùng với sự phi tuyến của hàm số sin là căn nguyên gây ra sai lệch của đường truyền thực qua hệ quang học khỏi đường truyền cận trục, sai lệch này dẫn tới sự sai khác vị trí ảnh – tức là quang sai:

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

PHẠM THÁI NINH 51 11BCTM.KH Các tia xa trục quang sẽ hội tụ tại các điểm gần hơn so với mặt cầu, quang sai mặt cầu làm lớn vòng tròn mờ, tổng thể sẽ làm ảnh bị kém chi tiết, giảm độ phân giải. Để khắc phục, trong hệ quang hiện nay thường có các chi tiết quang với bề mặt phi cầu.

 Quang sai coma:

Xét một điểm ngoài trục quang, bó tia sáng sau khi đi qua pupin ra tại các bán kính khác nhau sẽ vẽ lên các hình tròn có tâm bị dịch trên một đường thẳng trên mặt phẳng ảnh. Nên một điểm bị quang sai coma có hình dạng bị mờ dần ở “đuôi”. Quang sai coma chủ yếu xuất hiện trong hệ quang của kính viễn vọng.

 Quang sai loạn thị:

Xét một điểm rất xa trục chính, bó tia sáng sau khi qua hệ quang sẽ tạo ảnh điểm không đối xứng. Hiện nay, các phần mềm thiết kế hệ quang và công nghệ gia công quang học tiên tiến đã tối ưu để không còn hiện tượng loạn thị.

 Cong mặt phẳng ảnh:

Như tên gọi, mặt phẳng ảnh thực tế là dạng một mặt cong dần ra phía rìa. Chính vì vậy, kích thước của cảm biến ảnh nhỏ sẽ giảm hiện tượng cong mặt phẳng ảnh.

 Quang sai méo ảnh:

Quang sai méo ảnh ảnh hưởng rất lớn đến tỷ lệ hình học của ảnh nên trong quá trình calib, ta phải đưa hệ số méo ảnh vào phương trình tính để bù lại lượng méo ảnh. Méo ảnh có hai dạng:

Méo ảnh hướng tâm: Nguyên nhân là do bề mặt các thấu kính không hoàn hảo. [2] (24)

Với là tọa độ ảnh thực tế; (x,y) là tọa độ ảnh khi không có méo ảnh

Méo ảnh lệch tâm: Nguyên nhân do quá trình lắp ráp, các trục quang không trùng nhau. Thông thường trong hệ quang, quang sai méo ảnh gồm cả méo ảnh hướng tâm và méo ảnh lệch tâm.[2]

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

PHẠM THÁI NINH 52 11BCTM.KH (25) Trong đó bán kính , ki là hệ số méo ảnh hướng tâm, pj là hệ số méo ảnh lệch tâm.

Vì vậy, để sửa ảnh bị méo ảnh ta dùnng công thức sau:[2]

(26)

Hình 2.28. Quang sai méo ảnh [2].

d. Calib máy chiếu.

Calib máy là bắt buộc cho một hệ thống đo chính xác, bất kỳ máy đo nào trước khi đưa vào sử dụng đều phải calib. Mỗi hệ thống đo đều có những thông số, yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo và người ta muốn điều khiển những ảnh hưởng này sao cho kết quả đo chính xác nhất. Giả sử một thông số cần đo có giá trị thực là A và kết quả đo là A’, sự sai khác giữa A và A’ là do trong phép đo có ảnh hưởng của các nhân tố như nhiệt độ, rung động, nhiễu môi trường,… hay bản thân các phần tử trong hệ thống đo có sai số như hệ quang thì có quang sai, độ phóng đại; sai số cơ khí; sai số lắp ráp:[2]

(27) Mục đích của chúng ta là tìm giá trị của hàm f(x,y,z,…) trên. Giá trị hàm này tìm được khi ta biết giá trị A và A’. Quá trình này gọi là calib máy. Tuy nhiên, do phép đo có nhiều nhân tố ảnh hưởng và ngẫu nhiên nên ta không thể tìm được một hàm f tối ưu, hệ thống sẽ tồn tại một sai số ngẫu nhiên trong phạm vi cho phép. Như ta đã biết, hệ thống máy đo biên dạng 3 chiều dùng ánh sáng cấu trúc là dùng phương pháp đo không tiếp xúc, sử dụng hai máy ảnh chụp lại mẫu cần đo khi

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

PHẠM THÁI NINH 53 11BCTM.KH có ánh sáng được mã hóa chiếu xuống vật thể. Chuyển động cơ khí trong phương pháp đo này là không có và giả sử thuật toán tái tạo lại vật thể (số hóa) đã tối ưu thì độ chính xác của phép đo chủ yếu phụ thuộc vào hai yếu tố đó là máy ảnh và máy chiếu.

Như đã trình bày ở phần trên, cơ sở tính chiều cao của phương pháp này chỉ đúng với đối tượng đo nhỏ, với các đối tượng đo lớn hơn, phương pháp này kém chính xác bởi:

 Mặt phẳng tham chiếu rất khó đặt song song với thiết bị (máy chiếu, máy ảnh)

 Các vân sáng phải phân bố đều và đồng nhất trên mặt phẳng tham chiếu

 Vì hình dạng của vật đo và mặt phẳng tham chiếu khác nhau nên hiệu số pha không thể loại trừ được quang sai méo ảnh của hệ quang.

 Chưa xét tới quang sai méo ảnh, nhiễu,…

Để có kết quả chính xác, ta phải dùng phương pháp calib khác gồm calib máy ảnh và calib máy chiếu.

Kết luận:

Như vậy trong chương II đã trình bày về các dạng của ánh sáng cấu trúc và các phương pháp tạo ra ánh sáng cấu trúc.

Với phạm vi đo nhỏ, yêu cầu độ chính xác không cao, từ các cơ sở nghiên cứu về ánh sáng cấu trúc có thể xây dựng phương pháp tạo ánh sáng cấu trúc bằng máy chiếu với mẫu vân chiếu là dạng hình Sin.

Vì lý do phương pháp này dễ thực hiện hơn các phương pháp khác, các thiết bị phục vụ cho phương pháp dễ kiếm trên thị trường đồng thời với sự phát triển của

Các phương pháp tạo ánh sáng cấu trúc

Kỹ thuật chiếu tuần tự

Công nghệ LCO S Liquid Crystal on Silicon