Tên luận án:
NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH THIẾT BỊ ĐO CẤU TRÚC HÌNH HỌC BA CHIỀU BỀ MẶT TẾ VỊ CỦA CHI TIẾT QUANG CƠ THEO NGUYÊN LÝ GIAO THOA ÁNH SÁNG TRẮNG
Ngành:
Kỹ thuật cơ khí
Tóm tắt nội dung tài liệu:
Luận án "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" tập trung vào việc phát triển một mô hình thiết bị đo cấu trúc hình học ba chiều (3D) của bề mặt tế vi chi tiết quang, cơ sử dụng nguyên lý giao thoa ánh sáng trắng (WLI). Đề tài xuất phát từ tính cấp thiết của việc đo lường cấu trúc 3D bề mặt, vốn đóng vai trò quan trọng đến tính chất và chức năng của các thành phần quang, cơ, điện tử, và giúp kiểm soát chất lượng sản phẩm. Thống kê cho thấy 90% lỗi kỹ thuật liên quan đến bề mặt.
Mục tiêu chính của luận án là nghiên cứu phát triển mô hình thiết bị WLI để đo cấu trúc 3D bề mặt, đặc biệt cho các chi tiết quang, cơ có mấp mô bề mặt cỡ nanomet đến vài micromet. Nhiệm vụ nghiên cứu bao gồm: khảo sát các phương pháp đo 3D bề mặt, phân tích và lựa chọn sơ đồ hoạt động cùng các thành phần thiết bị, nghiên cứu thuật toán tái tạo cấu trúc 3D, và thực nghiệm đo đạc, xử lý kết quả. Luận án kết hợp cả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm.
Các đóng góp chính của luận án bao gồm: phát triển mô hình toán và phương pháp mô phỏng hình ảnh vân giao thoa ánh sáng trắng; đề xuất và thực hiện thành công kỹ thuật đo vi dịch chuyển dựa trên giao thoa ánh sáng trắng kết hợp với mặt phẳng nghiêng để hiệu chỉnh dọc trục cho thiết bị đạt độ chính xác cao; phát triển và áp dụng hai phương pháp xử lý hình ảnh vân giao thoa và tái tạo biên dạng 3D bề mặt mẫu đo mới, bao gồm làm khớp tín hiệu WLI với hàm lý thuyết và kết hợp kỹ thuật tìm cực đại tín hiệu với làm khớp đường cong tín hiệu giao thoa, nhằm đảm bảo độ chính xác và rút ngắn thời gian xử lý.
Luận án đã xây dựng thành công trong phòng thí nghiệm một mô hình thiết bị WLI với vật kính giao thoa Mirau 20X, hệ chiếu sáng Köhler dùng LED trắng, và cơ cấu dịch chuyển PZT có phạm vi 7000 nm và bước dịch 10 nm. Đây là hệ đo WLI đầu tiên được xây dựng tại Việt Nam, cho phép đo không tiếp xúc cấu trúc hình học 3D tế vi của bề mặt chi tiết quang sau đánh bóng. Mô hình thiết bị đã được ứng dụng để đo đạc và khảo sát cấu trúc 3D của nhiều chi tiết quang cơ điển hình như ma trận vi thấu kính, cách tử, mặt nạ pha, bề mặt cầu kim loại, và mẫu độ nhám, cho kết quả có độ chính xác cao (sai lệch cỡ 1%) và tương đương với các thiết bị WLI thương mại khác. Luận án cũng đề xuất và áp dụng thành công hai phương pháp trích xuất thông tin mới: đo độ dày màng mỏng chỉ với một hình ảnh WLI và xác định bán kính mặt cầu từ dữ liệu 3D bằng thuật toán làm khớp.
Mục lục chi tiết:
-
Phần mở đầu
-
Chương 1: Đo cấu trúc hình học bề mặt, những tiến bộ và tồn tại
- 1.1. Tổng quan về đo cấu trúc hình học bề mặt
- 1.2. Sự phát triển thiết bị đo lường cấu trúc bề mặt
- 1.3. Cấu trúc hình học bề mặt
- 1.4. Các kỹ thuật và thiết bị đo lường cấu trúc hình học bề mặt
- 1.4.1. Kỹ thuật đo cấu trúc hình học bề mặt bằng phương pháp tiếp xúc
- 1.4.2. Kỹ thuật đo cấu trúc hình học bề mặt bằng phương pháp không tiếp xúc
- 1.4.3. So sánh các loại thiết bị đo cấu trúc hình học bề mặt
- 1.5. Kết luận chương 1
-
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
- 2.1. Giới thiệu chung về WLI
- 2.2. Nguyên lý hoạt động của WLI
- 2.3. Nguyên lý tạo tín hiệu giao thoa
- 2.4. Hình ảnh WLI
- 2.5. Xử lý tín hiệu WLI
- 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 và kỹ thuật xác định đường bao biến điệu
- 2.5.5. Phân tích trong miền tần số
- 2.6. Một số vấn đề trong kỹ thuật đo kiểm bằng WLI
- 2.6.1. Sai số thứ tự vân giao thoa
- 2.6.2. Ảnh hưởng của vật liệu mẫu đo đến WLI
- 2.6.3. Tăng độ phân giải của WLI
- 2.6.4. Vấn đề nguồn sáng trong WLI
- 2.7. Kết luận chương 2
-
Chương 3: Xây dựng mô hình thiết bị đo cấu trúc hình học ba chiều bề mặt bằng giao thoa ánh sáng trắng
- 3.1. Các thành phần và hoạt động của mô hình hệ thống WLI
- 3.1.1. Hệ quang học tạo ảnh và chiếu sáng
- 3.1.2. Hệ dịch chuyển và điều khiển dịch chuyển
- 3.1.3. Phần mềm điều khiển và xử lý dữ liệu
- 3.1.4. Mô hình thiết bị thực nghiệm
- 3.2. Mô phỏng hoạt động của thiết bị
- 3.2.1. Mô phỏng sự hình thành hình ảnh vân WLI
- 3.2.2. Tái tạo cấu trúc hình học 3D bề mặt mô phỏng
- 3.3. Hiệu chuẩn mô hình thiết bị
- 3.3.1. Hiệu chuẩn kích thước ngang
- 3.3.2. Hiệu chuẩn dịch chuyển dọc trục
- 3.3.3. Tần số cắt của mô hình thiết bị
- 3.4. Phát triển kỹ thuật xử lý tín hiệu WLI
- 3.4.1. Tái tạo cấu trúc hình học 3D bề mặt bằng kỹ thuật làm khớp tín hiệu
- 3.4.2. Tái tạo biên dạng bề mặt sử dụng phối hợp phương pháp cực đại và phương pháp làm khớp tín hiệu WLI
- 3.5. Kết luận chương 3
-
Chương 4: Một số kết quả đo cấu trúc hình học 3D bề mặt sử dụng mô hình thiết bị
- 4.1. Hình ảnh và tín hiệu giao thoa của một số bề mặt quang cơ thu được từ mô hình thiết bị
- 4.2. Đo cấu trúc hình học bề mặt các chi tiết quang
- 4.2.1 Đo chiều dày lớp màng mỏng quang học sử dụng một hình ảnh WLI
- 4.2.2. Đo màng mỏng bằng phương pháp xử lý nhiều ảnh WLI
- 4.2.3. Đo cấu trúc hình học 3D bề mặt ma trận vi thấu kính
- 4.2.4. 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
- 4.2.5. Đo cấu trúc hình học 3D bề mặt chi tiết quang gia công bằng phương pháp tiện sử dụng mũi kim cương đơn điểm
- 4.3. Đo cấu trúc hình học bề mặt các chi tiết cơ khí
- 4.3.1 Đo cấu trúc hình học 3D bề mặt quả cầu kim loại
- 4.3.2. Đánh giá chất lượng bề mặt
- 4.4. Đánh giá sơ bộ độ chính xác của thiết bị
- 4.5. Kết luận chương 4
-
Kết luận
-
Tài liệu tham khảo
-
Phụ lục