– Trong bài viết về “Giao thoa kế moiré gần giới hạn lí thuyết” của Eric M.
Weissmen và Daniel Post tháng 11 năm 1981 (Virginia Polytechnic Institute &
State University, Engineering Science & Mechanics Department, Blacksburg, Virginia 24061)[1], hai tác giả khẳng định, độ nhạy của phương pháp moiré trong việc đo độ dịch chuyển tăng theo tần số của cách tử sử dụng.
Hình 2.1 Mô hình giao thoa moiré đo độ dịch chuyển đề nghị bởi Eric M.Weissmen và Post năm 1981.
Hình 2.2 Kết quả giao thoa moiré. Kích thước vân gần lỗ tăng. Cách tử sử dụng có tần số 2000 vạch/mm, đạt 97,6% giới hạn của lí thuyết.
Hai tác giả cũng chỉ ra rằng, giới hạn trên của lí thuyết đạt đƣợc khi khoảng cách giữa các vạch của cách tử mẫu vật là λ/2 (một nửa bước sóng của ánh sáng sử dụng)
hoặc tần số của cách tử là 2/λ. Trong công trình này, cách tử nhiễu xạ phản xạ mà hai tác giả sử dụng có tần số 2000 vạch/mm, bằng một nửa tần số của cách tử ảo (do sự giao thoa của hai chùm sáng gây nên), độ nhạy đạt đƣợc là 0,25 μm/vân, đạt 96,7% giới hạn của lí thuyết. Mật độ vân thu đƣợc là 24 vân/mm. Mẫu vật mà hai tác giả đã dùng để tạo hệ vân moiré là một bản phẳng làm bằng polymethyl methacrylate kích thước 200×51×32 mm và có một lỗ tròn đường kính 10 mm ở giữa. Cách tử mẫu vật đƣợc đặt trên mẫu vật theo sơ đồ nhƣ hình bên 2.1. Kết quả của giao thoa moiré đƣợc trình bày ở hình 2.2. Kết quả chứng tỏ rằng, giao thoa moiré sử dụng cách tử có tần số 2000 vạch/mm là hoàn toàn có thể và đạt 97,6%
giới hạn trên của lí thuyết về độ nhạy. Hệ vân giao thoa thu đƣợc trên một vùng rộng và chất lƣợng của hệ vân phụ thuộc vào độ kết hợp của hai chùm tia.
– Trong giao thoa kế moiré đƣợc đề nghị bởi Michael L. Basehore and Daniel Post (Virginia Polytechnic Institute & State University, Engineering Science &
Mechanics Department, Blacksburg, Virginia 24061)[2], chiếu hai chùm tia đơn sắc (laser) đến cách tử phase có tần số cao với cùng góc tới θ. Mô hình giao thoa kế moiré của Basehore và D.Post nhƣ hình 2.3.
Hình 2.3 Mô hình giao thoa moiré đo độ dịch chuyển đề nghị bởi Basehore và Post năm 1982.
Nhìn chung mô hình này không khác gì so với mô hình mà D.Post đề nghị trước đó, công trình vào năm 1981. Bề mặt sóng của chùm tia nhiễu xạ bị biến dạng do sự dịch chuyển trong mặt phẳng (U) và dịch chuyển ngoài mặt phẳng (W). Nhóm nghiên cứu chỉ ra độ nhạy có thể đạt được của phương pháp này là 0,833 μm/vân đối với dịch chuyển trong mặt phẳng và 0,132 μm/vân đối với dịch chuyển ngoài mặt phẳng. Từ đó thấy rằng, phương pháp moiré hiệu quả hơn khi xác định độ dịch chuyển trong mặt phẳng. Tác giả cũng chỉ ra tính khả thi cao của phương pháp, thông qua khả năng có thể thu thập thông tin từ các vân giao thoa bằng cả hai phương pháp phân tích ảnh tĩnh hoặc phân tích ảnh động đều có khả năng áp dụng.
Hệ vân thu đƣợc khi cho mẫu vật dao động trong mặt phẳng và dao động ngoài mặt phẳng đƣợc mô tả nhƣ hình 2.4.
a) b)
Hình 2.4 Kết quả : hệ vân ứng với dịch chuyển trong mặt phẳng (hình a), ứng với dịch chuyển ngoài mặt phẳng (hình b) của một đĩa phẳng.
– Trong công trình công bố tháng 3 năm 1981, Prof. D.Post và W.A. Baracat[3] đã đƣa ra tiêu chí cho một giao thoa kế moiré chất lƣợng cao, đó là : vật liệu làm mẫu vật là graphite – polyimide composite, và tần số cách tử mẫu vật tối thiểu là 600 khe/mm (tương ứng với tần số của cách tử ảo tối thiểu là 1200 lines/mm), hệ số nhân vân là 2, hệ vân mang 10 vân/mm. Hệ được bố trí sao cho một gương phẳng đặt vuông góc với một cách tử mẫu vật, và cả hai đƣợc chiếu bởi ánh sáng đơn sắc có bước sóng λ thoả phương trình nhiễu xạ sau : sin 0
n2 f
. Nếu chỉ xét đối với
nhiễu xạ bậc ±1, ta có : sin 0 2 f
, với f0 là tần số của cách tử ảo (bằng 2 lần tần số của cách tử mẫu vật).
– Theo giáo sƣ Daniel Post (Virginia Polytechnic Institute and State University, Engineering Science and Mechanics Department, Blacksburg)[8], giao thoa kế moiré có thể dễ dàng tăng độ nhạy bằng cách sử dụng các cách tử có vạch thẳng (có hiệu suất nhiễu xạ cao và nhiễu quang thấp) có tần số cao (1200 khe/mm, 2400 khe/mm, 4000 khe/mm,...), sử dụng hai chùm tia giao thoa có dãy đo rộng, độ tương phản vân cao, và vân định vị trên bề mặt mẫu vật. Đây là kỹ thuật phản xạ, phù hợp với những mẫu vật có bề mặt không nhẵn bóng, và quan sát đƣợc trực tiếp độ biến dạng.
Hình 2.5 Mô hình giao thoa moiré đo độ dịch chuyển sử dụng gương phẳng.
Giao thoa kế moiré đƣợc chứng minh là có khả năng xác định độ dịch chuyển trong mặt phẳng với độ nhạy cao, đồng thời cũng đƣợc sử dụng để xác định độ dịch chuyển ngoài mặt phẳng với độ nhạy gấp hai lần khi sử dụng phương pháp holographic interferometry. Kết quả của độ dịch chuyển đƣợc mô tả bởi hệ vân trên hình 2.6.
Hình 2.6 Kết quả : hệ vân ứng với dịch chuyển trong mặt phẳng theo hai phương Ox và Oy.
– Để đo độ rung của vật, Giáo sƣ A. Asundi và học trò M.T Cheung (Hồng Kông)[12] đã sử dụng phương pháp moiré để định vị điểm nút và xác định biên độ dao động hình sin của bản phẳng. Do độ nhạy cao nên phương pháp này có thể xác định đƣợc độ rung của bản phẳng có tần số dao động cao, và biên độ dao động nhỏ.
Hình 2.7 Mô hình giao thoa moiré đo độ dịch chuyển đề nghị bởi A.Asundi 1986. Mẫu vật được cho dao động với tần số 4-5 kHz theo phương vuông góc với mặt phẳng của vật.
Hệ vân cơ bản đƣợc điều biến thông qua hàm Bessel bậc 0, qua đó xác định đƣợc rằng, những điểm có biên độ dao động mạnh nhất ứng với vân sáng nhất (có độ tương phản cao nhất), và những vân có bậc cao hơn ứng với những điểm có cùng
biên độ dao động, từ đó độ tương phản cũng giảm. Để cải thiện điều này, trong hệ thực nghiệm ta sử dụng kính lọc không gian. Sơ đồ thí nghiệm của nhóm nghiên cứu đƣợc mô tả nhƣ hình 2.7.
Mô hình đường truyền tia sáng và sự thay đổi của chùm sáng nhiễu xạ khi mẫu vật dao động.
Hình 2.8 Mô hình đường truyền tia sáng qua mẫu vật và cách tử.
Hình 2.9 Sự thay đổi của chùm sáng khi mẫu vật dao động.
– Nhóm các nhà nghiên cứu người Belgium[13] đã chứng minh bằng thực nghiệm một phương pháp mới, giá thành thấp, có thể đo được những dao động bất kì. Trong công trình công bố năm 1986, nhóm nghiên cứu đã thiết lập hệ thực nghiệm để đo biên độ dao động của một màn loa dao động hình sin ở tần số 250 Hz, và chứng minh đƣợc dãy biên độ có thể đo chính xác đƣợc là trong khoảng 100 nm đến 0,1 mm. Và khi đo dao động của màng, phương pháp này có thể so sánh với các phương pháp khác, như electronic speckle interferometry (ESI), thông qua đồ thị nhƣ hình 2.13.
Hình 2.10 Tín hiệu digital thu bởi IMQ Vision Builder 6.0.
Hình 2.11 Tín hiệu đã hiệu chỉnh.
Hình 2.12 Đồ thị xác định biên độ dao động theo điện thế cấp cho máy rung (loa).
Hình 2.13 So sánh khả năng đo biên độ dao động của một màng loa theo hai phương pháp : moiré () và ESI (×).
– Nhóm nghiên cứu người Mỹ[10] đưa ra một số phương pháp nghiên cứu để xác định biên dạng của một vật thể, bao gồm : phương pháp shadow moiré, phương pháp projection moiré, phương pháp holographic, và phương pháp laser-speckle.
Nhóm nghiên cứu cũng nhận định, đánh giá về một số ƣu khuyết điểm của các phương pháp trên. Nhược điểm của phương pháp shadow moiré và phương pháp projection moiré là có độ nhạy thấp; nhược điểm của phương pháp holographic là hệ thống quá tinh vi phức tạp; phương pháp laser-speckle cho chất lượng vân kém.
Trong công trình này, nhóm nghiên cứu chọn kỹ thuật “double-exposure moiré interferometry” để xác định biên dạng hình học với hai ƣu điểm là độ nhạy cao và chất lượng vân tốt. Nhóm tác giả cũng khẳng định moiré interferometry là phương pháp cho độ nhạy cao, đƣợc sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu cơ học thực nghiệm.
Tuy nhiên phương pháp này cũng có nhược điểm lớn, đó là chỉ chính xác với những thay đổi trong mặt phẳng. Để đáp ứng yêu cầu cần định dạng ngoài mặt phẳng, ta cần kết hợp với phương pháp holographic, khi đó hệ thống quang sẽ phức tạp, và đồng thời chất lượng vân sẽ giảm do ảnh hưởng của hiệu ứng speckle. Phương pháp này cũng thể hiện một hạn chế nữa là khó thu hệ vân với cùng độ tương phản trên
toàn bộ bề mặt mẫu vật và không điều chỉnh được mật độ vân như phương pháp shadow moiré.
– Projection moiré interferometry (PMI) đƣợc nhóm nghiên cứu ở San Diego, Hoa Kỳ[9] sử dụng để đo độ biến dạng của cánh máy bay khi cho nó quay trong đường hầm gió.
Hình 2.14 Mô hình giao thoa kế moiré đo độ biến dạng liên tục của cánh máy bay.
Hình 2.15 Hệ vân moiré thu được khi cánh máy bay ở một trạng thái bị biến dạng.
PMI đƣợc dùng để xác định sự thay đổi hình dạng của ba cánh máy bay có khả năng bị biến dạng khác nhau, có cấu trúc và độ cứng khác nhau khi chúng quay. Ảnh đƣợc thu với độ phân giải 1300×1030 pixels, với tần số thu 10 Hz. Nhóm nghiên cứu đã thu liên tục 100 ảnh đối với mỗi điểm cần định dạng để đảm bảo điều kiện
về mẫu thống kê, trung bình về giá trị của mẫu sẽ cho độ biến dạng có độ chính xác cao hơn, gần với điều kiện hoạt động thực của cánh máy bay.
– Trong công trình công bố năm 2001, một nhóm nghiên cứu ở Hàn Quốc[6] sử dụng phương pháp phase shifting để hiệu chỉnh PEMI (portable engineering moiré interferometry) thành micro moiré interferometer để xác định độ dịch chuyển với độ nhạy cao. Phương pháp này có chi phí thấp, và cấp chính xác không cao với độ phân giải khoảng 10 μm phù hợp với bộ điều biến pha. Ở đây, sử dụng thuật toán bình phương tối thiểu kết hợp với các quá trình xử lí ảnh như lọc quang FFT và kỹ thuật tăng vân. Nhìn chung phương pháp này thích hợp với bộ điều biến pha không cần độ chính xác dưới micromét.
– Chất lƣợng bề mặt của thép ngày càng đƣợc đòi hỏi cao hơn, việc xác định độ phẳng bề mặt và đo lường kích thước đòi hỏi một sự chuẩn xác cao. Để làm việc này, có một số phương pháp đã được thực hiện, tuy nhiên những phương pháp này có độ chính xác còn thấp, giá thành cao, và tương đối phức tạp. Trong những năm gần đây, hệ thống đo lường quang không tiếp xúc trở thành phổ biến hơn những phương pháp truyền thống khác. Trong luận án tiến sĩ công bố năm 1998, nhà khoa học Phần Lan, Jussi Paakkari[5] đã sử dụng phương pháp projection moiré để khảo sát tự động độ phẳng của bề mặt thép trong hệ thống dây chuyền sản xuất thực. Độ phân giải tối thiểu đạt đƣợc là khoảng 0,6 mm.
Hình 2.16 Phương pháp shadow moiré với một chùm sáng kết hợp.
Hình 2.17 Phương pháp shadow moiré với hai chùm sáng kết hợp.
– Trong công trình công bố năm 2004, hai nhà nghiên cứu người Hàn Quốc, See Young Yang và Soon Bok Lee[7] đã khẳng định giao thoa kế moiré kết hợp với giải thuật điều biến pha và kỹ thuật xử lí ảnh như phương pháp bình phương tối thiểu (least square method - LSM), có thể đạt độ nhạy cao (26 nm/vân). Với kỹ thuật này, có thể xác định những độ dịch chuyển cỡ nanomet, hệ thống đƣợc điều biến pha bởi bộ dịch pha có độ phân giải 10 μm, lƣợng pha điều biến đƣợc tính toán bằng phương pháp bình phương tối thiểu. Để thực hiện trong thời gian thực và phân tích hoàn toàn tự động, ta sử dụng kỹ thuật pattern matching. Giải thuật điều biến pha đƣợc hỗ trợ tốt nếu có bộ dịch chuyển có độ phân giải cao, nhờ vào các hệ thống bán tự động nhƣ motor, các linh kiện cơ khí chính xác,...
Hình 2.18 Hệ vân moiré ứng với dịch chuyển theo hai phương (a) U (Ox) và (b) V(Oy) của mẫu vật.
– Một nhóm nghiên cứu người Lithuania (2005)[14] đã đưa ra một lĩnh vực ứng dụng mới của phương pháp moiré, đó là đo dao động của bề mặt chất lỏng, dựa trên kỹ thuật shadow moiré (hình 2.19). Nhóm nghiên cứu đã đƣa ra hai lí do để chọn phương pháp thực nghiệm; thứ nhất, phương pháp shadow moiré có độ chính xác cao đối với một số cấu trúc đem phân tích; thứ hai, rất quan trọng, nhằm xây dựng cho kỹ thuật thực nghiệm phân tích một số hệ thực nghiệm mới, ứng dụng phát triển kỹ thuật hybrid.
Hình 2.19 Phương pháp shadow moiré đo dao động của bề mặt chất lỏng.
Kết quả thu đƣợc bằng những tính toán số.
Hình 2.20 Hệ vân thu được khi mặt chất lỏng ở vị trí cân bằng.
Hình 2.21 Hệ vân thu được khi chất lỏng dao động.
– Với sự nhận định của giáo sư D.Post[11], trong những năm gần đây, phương pháp moiré phát triển rất mạnh, nó trở thành công cụ quan trọng, có nhiều ứng dụng trong công nghiệp, nghiên cứu và giáo dục. Phương pháp moiré thường được sử dụng để xác định độ biến dạng của vật thể rắn khi chịu tác dụng của môi trường như nhiệt độ, tác dụng nén, ... và xác định độ dịch chuyển trong mặt phẳng với độ nhạy và độ phân giải cao. Với cách tử có tần số 2400 khe/mm, độ nhạy đạt đƣợc là 0,417 μm/vân. Nếu sử dụng microscopic moiré interferometry, độ nhạy có thể đạt đến cấp độ nano.
Hình 2.22 Sơ đồ quang học của moiré interferometry theo mô hình gương Lloyd.