Luận án: Nghiên cứu thiết bị đo 3D bề mặt tế vi chi tiết quang cơ theo giao thoa ánh sáng trắng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO 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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – NĂM 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO 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 cơ khí Mã số: 9 52 01 03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS LÊ HOÀNG HẢI 2. TS DƯƠNG CHÍ DŨNG HÀ NỘI – NĂM 2020 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận án là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào trước đây.

Các kết quả sử dụng tham khảo đều được trích dẫn đầy đủ và theo đúng quy định. Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Tác giả Phan Nguyên Nhuệ ii LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập và nghiên cứu tại Học viện Kỹ thuật Quân sự, để hoàn thành luận án này, tác giả đã nhận được nhiều sự giúp đỡ và đóng góp quý báu của các thầy cô, các nhà khoa học, các nhà quản lý và các đồng nghiệp. Đầu tiên, tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Lê Hoàng Hải, PGS.TS Dương Chí Dũng đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tác giả trong quá trình học tập và nghiên cứu. Tác giả xin chân thành cảm ơn Phòng Sau Đại học, Bộ môn Khí tài quang học, Khoa Vũ khí - Học viện Kỹ thuật Quân sự đã tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành nhiệm vụ.

Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn đến gia đình, bạn bè, các đồng nghiệp đã luôn động viên, giúp đỡ tác giả vượt qua khó khăn trong suốt quá trình làm luận án. TÁC GIẢ iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN. ii MỤC LỤC. iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU.

vi DANH MỤC CÁC BẢNG. ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ. 1 Chương 1 ĐO CẤU TRÚC HÌNH HỌC BỀ MẶT, NHỮNG TIẾN BỘ VÀ TỒN TẠI. Tổng quan về đo cấu trúc hình học bề mặt.

Sự phát triển thiết bị đo lường cấu trúc hình học bề mặt. Cấu trúc hình học bề mặt. Các kỹ thuật và thiết bị đo lường cấu trúc hình học bề mặt. Kỹ thuật đo cấu trúc hình học bề mặt bằng phương pháp tiếp xúc.

Kỹ thuật đo cấu trúc hình học bề mặt bằng phương pháp không tiếp xúc. So sánh các loại thiết bị đo cấu trúc hình học bề mặt. Kết luận chương 1. 30 Chương 2 ĐO CẤU TRÚC HÌNH HỌC BA CHIỀU BỀ MẶT BẰNG GIAO THOA ÁNH SÁNG TRẮNG - CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ KỸ THUẬT XỬ LÝ 31 2.

Giới thiệu chung về WLI. Nguyên lý hoạt động của WLI. Nguyên lý tạo tín hiệu giao thoa. Hình ảnh WLI.

Xử lý tín hiệu WLI. Phương pháp xác định đường bao tín hiệu. Phương pháp trọng tâm. Phương pháp ước lượng pha.

Phương pháp kết hợp kỹ thuật ước lượng pha và kỹ thuật xác định đường bao biến điệu. Phân tích trong miền tần số. Một số vấn đề trong kỹ thuật đo kiểm bằng WLI. Sai số thứ tự vân giao thoa.

Ảnh hưởng của vật liệu mẫu đo đến WLI. Tăng độ phân giải của WLI. Vấn đề nguồn sáng trong WLI. Kết luận chương 2.

48 Chương 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH THIẾT BỊ ĐO CẤU TRÚC HÌNH HỌC BA CHIỀU BỀ MẶT BẰNG GIAO THOA ÁNH SÁNG TRẮNG. Xây dựng mô hình thiết bị. Hệ quang học tạo ảnh và chiếu sáng. Hệ dịch chuyển và điều khiển dịch chuyển.

Phần mềm điều khiển và xử lý dữ liệu. Mô hình thiết bị thực nghiệm. Mô phỏng hoạt động của thiết bị. Mô phỏng sự hình thành hình ảnh vân WLI.

Tái tạo cấu trúc hình học 3D bề mặt mô phỏng. Hiệu chuẩn mô hình thiết bị. Hiệu chuẩn kích thước ngang. Hiệu chuẩn dịch chuyển dọc trục.

Tần số cắt của mô hình thiết bị. Phát triển kỹ thuật xử lý tín hiệu WLI. Tái tạo cấu trúc hình học 3D bề mặt bằng kỹ thuật làm khớp tín hiệu 86 3. Tái tạo biên dạng bề mặt sử dụng phối hợp phương pháp tìm cực đại và phương pháp làm khớp tín hiệu WLI.

Kết luận chương 3. 95 Chương 4 MỘT SỐ KẾT QUẢ ĐO CẤU TRÚC HÌNH HỌC 3D BỀ MẶT SỬ DỤNG MÔ HÌNH THIẾT BỊ. Hình ảnh và tín hiệu giao thoa của một số bề mặt quang cơ thu được từ mô hình thiết bị. Đo cấu trúc hình học bề mặt các chi tiết quang.

Đo chiều dày màng mỏng quang học sử dụng một hình ảnh WLI. Đo màng mỏng bằng phương pháp xử lý nhiều ảnh WLI. Đo cấu trúc hình học 3D bề mặt ma trận vi thấu kính. Xác định bán kính cong của vi thấu kính bằng thuật toán làm khớp dữ liệu cấu trúc hình học 3D bề mặt chỏm cầu.

Đo cấu trúc hình học 3D bề mặt chi tiết quang gia công bằng phương pháp tiện sử dụng mũi kim cương đơn điểm. Đo cấu trúc hình học bề mặt các chi tiết cơ khí. Đo cấu trúc hình học 3D bề mặt quả cầu kim loại. Đánh giá chất lượng bề mặt.

Đánh giá sơ bộ độ chính xác của thiết bị. Kết luận chương 4. 121 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ. 124 TÀI LIỆU THAM KHẢO.

142 vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU 1. Chữ viết tắt: Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt 2D Two-dimensional Hai chiều 3D Three-dimensional Ba chiều AFM Atomic Force Microscope Kính hiển vi lực nguyên tử CCD Charge Coupled Device Cảm biến ảnh tích điện kép CMM Coordinate Measuring Máy đo tọa độ Machine CMOS Complementary Metal- Chất bán dẫn Ô xít kim loại bổ Oxide-Semiconductor sung CPM Coherence Probe Kính hiển vi đầu dò kết hợp Microscopy CSI Coherence Scanning Giao thoa quét kết hợp Interferometry EM Electron Microscope Kính hiển vi điện tử FDA Frequency Domain Kỹ thuật phân tích trong miền Analysis tần số FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh FOV Field Of View Thị giới ISO International Organization Tổ chức tiêu chuẩn hóa quốc tế for Standardization LCI Low Coherence Giao thoa kết hợp thấp Interferometry vii LD Laser Diode Laser đi ốt LED Light Emitting Diode Đi ốt phát quang LSD Light Sensitive Diode Đi ốt phát quang nhạy sáng MEMS Microelectromechanical Hệ thống vi cơ điện tử Systems MOEMS Micro-Opto-Electro- Hệ thống vi cơ quang điện tử Mechanical Systems NA Numerical Aperture Khẩu độ số OCP Optical Coherence Máy đo biên dạng quang học Profilometry kết hợp OCT Optical Coherence Đo cấu trúc bề mặt quang học Topography kết hợp OPD Optical Path Difference Sai lệch quang trình PMMA Polymethyl methacrylate Nhựa PMMA PSI Phase Giao thoa dịch pha Shifting Interferometry PWM Pulse-width Modulation Điều chế độ rộng xung PZT Piezoelectric Translators Bộ dịch chuyển áp điện RAM Random Access Memory Bộ nhớ truy cập tạm thời SEM Scanning Electron Kính hiển vi điện tử quét Microscope SPM Scanning Probe Kính hiển vi quét đầu dò Microscopy viii STM Scanning Tunneling Kính hiển vi quét xuyên hầm Microscope SWLI Scanning White Light Giao thoa ánh sáng trắng quét Interferometer TEM Transmission Electron Kính hiển vi điện tử truyền qua Microscope VSI Vertical Scanning Giao thoa quét dọc Interferometry WLI White Light Interference Giao thoa ánh sáng trắng ZOPD Zero Optical Path Sai lệch quang trình bằng 0 Difference ix DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Thông số kỹ thuật của Rodenstock Model RM 600 3-D/C [163] .1: Thông số một số loại vật kính hiển vi giao thoa thương mại.2: Các thông số của mô hình hệ giao thoa mô phỏng.3: Lượng dịch chuyển của PZT ở các mức điện áp khác nhau.1: Kết quả đo độ dày màng, d = 338 ± 7 nm.2: Kết quả đo độ dày màng bằng phương pháp xử lý một ảnh WLI 101 Bảng 4.3: Kết quả xác định bán kính của vi thấu kính.4 Bảng tổng hợp các kết quả đo sử dụng mô hình thiết bị.119 x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.2: Đường cong Abbott–Firestone.3: Phân loại kỹ thuật đo cấu trúc hình học bề mặt.4: Sơ đồ cấu tạo của máy đo và đầu dò tiếp xúc [108].5: Sơ đồ nguyên lý của kính hiển vi đồng tiêu.6: Sơ đồ nguyên lý phương pháp xác định vị trí từ sai lệch cường độ 24 Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý xác định vị trí từ phương pháp loạn thị.8: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp góc tới hạn.9: Sơ đồ nguyên lý của kỹ thuật giao thoa dịch pha.10: Phạm vi và độ phân giải của các phương pháp đo cấu trúc hình học 3D bề mặt [80].1: Sơ đồ quang học của giao thoa kế ánh sáng trắng.2: Sự hình thành tín hiệu WLI: (a) tín hiệu giao thoa của các bước sóng riêng lẻ và (b) tín hiệu WLI.3: Mô hình hình thành tín hiệu giao thoa bên trong vật kính Mirau.4: Kết quả tính toán tín hiệu WLI sử dụng vật kính Mirau.5: Vân giao thoa của cách tử thu được khi sử dụng (a) nguồn sáng đỏ, (b) nguồn ánh sáng trắng [108].6: Hình ảnh giao thoa quan sát được ở mặt phẳng (x,y), (x,z) khi đo bề mặt cầu bằng WLI.7: Mô tả kỹ thuật phân tích tín hiệu giao thoa trong miền tần số.1: Sơ đồ hệ thống hiển vi giao thoa ánh sáng trắng để đo cấu trúc hình học ba chiều của bề mặt.2: Một số loại vật kính hiển vi sử dụng trong thiết bị WLI.3: Vật kính Mirau 20X.4: Sơ đồ hệ chiếu sáng Köhler sử dụng trong hệ hiển vi giao thoa.5: Phổ phát xạ của nguồn sáng LED trắng.6: Mô phỏng hệ chiếu sáng bằng phần mềm Zemax.7: Kết quả tính phân bố độ rọi của chùm chiếu sáng tại mặt phẳng mẫu bằng phần mềm Zemax.8: Ảnh chụp hệ chiếu sáng thực nghiệm.9: (a) Sơ đồ nguyên lý và (b) ảnh chụp mô đun dịch chuyển đàn hồi đơn khối.10: Bộ điều khiển Piezo K-Cube (KPZ101).11: Ảnh chụp mô hình hiển vi WLI thực nghiệm.12: Ảnh chụp tổng thể thiết bị đo biên dạng 3D của bề mặt chi tiết.13: (a) Phổ phát xạ của LED trắng (đo bằng máy quang phổ CCS200); (b) Phổ độ nhạy của cảm biến MN34110PA.14: Cường độ tín hiệu giao thoa của các thành phần màu theo độ cao 69 Hình 3.15: Hình ảnh vân giao thoa với mẫu là mặt phẳng đặt nghiêng.16: Hình ảnh vân giao thoa với mẫu là chỏm cầu.17: Kết quả mô phỏng hoạt động của thiết bị.18: (a) Thước chuẩn OMO, (b) Thang đo và sai số của thước chuẩn theo tiêu chuẩn GOST 7513-55.19: Ảnh của thước chuẩn thu nhận được từ hệ thí nghiệm (a) chiều x (b) chiều y.20: Sơ đồ thí nghiệm khảo sát dịch chuyển của PZT.