Việt Nam

Một ví dụ điển hình của hiện tượng giao thoa là các bọt xà phòng và dầu nổi có nhiều màu sắc khác nhau. Một giao thoa kế sử dụng hiện tượng để đo độ dài và phân tích quang phổ ánh sáng.

 

Một giao thoa kế tách ánh sáng từ nguồn sáng thành hai chùm. Một chùm tia chiếu vào tấm định hướng phẳng, có độ chính xác cao, được sử dụng để đo và thể hiện độ bất thường không quá 30 nm, hoặc tấm chuẩn có lớp phủ thấu kính tham chiếu, được sử dụng để đo bề mặt hình cầu. Sau đó chùm tia bị phản xạ. Chùm tia khác được truyền qua tấm chuẩn, sau đó chiếu vào mẫu đo. Nó cũng được phản ánh sau đó. Ánh sáng phản xạ từ tấm chuẩn và ánh sáng phản xạ từ mẫu đo quay trở lại dọc theo các đường quang học ban đầu. Các vân giao thoa được tạo ra do sự khác biệt về đường quang học. Sự xuất hiện của các vân cho phép đo cấu hình bề mặt của mẫu và hình dạng của mặt sóng truyền qua.

Khoảng cách giữa các vân

Một tính năng đặc biệt của giao thoa kế là mức độ chính xác cao vì nó sử dụng bước sóng ánh sáng làm tiêu chuẩn độ dài. Các vân sáng / tối quan sát được xuất hiện dưới dạng các đường đồng mức. Khoảng cách giữa các vạch này được xác định bởi bước sóng của nguồn sáng và góc tới.

 

Thông thường, chùm tia sẽ chiếu vuông góc với bề mặt mục tiêu, và trong trường hợp đó, khoảng cách giữa các đường đồng mức sẽ là một nửa bước sóng. Nhưng nếu nó chiếu ở một góc, các đường đồng mức trải ra tương ứng với góc tới — nói cách khác, có độ nhạy thấp.

Các vân hiển thị trên màn hình là các đường đồng mức thể hiện các khoảng chiều cao xấp xỉ 0,3 μm tính từ thấu kính tham chiếu. Nếu độ cầu của bề mặt mục tiêu là cực kỳ tốt, thì các vân là đường thẳng và nếu điều chỉnh thì sẽ không có vân nào xuất hiện.

 

Bắt đầu ở trạng thái không có vân, khi quay trái / phải của cơ sở điều chỉnh năm trục quay một chút, các vân dọc sẽ xuất hiện. Khi xoay nhẹ mặt số Lùi / Lùi, các vân giao thoa của thấu kính phân kỳ nằm ngang xuất hiện. Và, khi quay lên / xuống của cơ sở điều chỉnh năm trục được xoay một chút, các vân đồng tâm sẽ xuất hiện.

Kết quả khi dịch chuyển mẫu thử có độ cầu tốt được dịch chuyển Trái/Phải

Khi độ chính xác bề mặt của mẫu đo là tuyệt vời, toàn bộ bề mặt có cùng độ sáng và khi mẫu thử nghiêng, các vân thẳng đều nhau xuất hiện ở góc vuông với hướng nghiêng.

 

Khi bề mặt cầu của mẫu thử có dạng hơi nhám, các vân sẽ uốn cong. Độ uốn cong càng lớn thì chứng tỏ bề mặt càng nhám.

Kết quả khi bề mặt hình cầu thử nghiệm có độ nhám đáng kể được dịch chuyển sang Trái/Phải

Nếu mẫu đo có bề mặt hình cầu cong nhẹ, các vân đồng tâm cách đều nhau sẽ xuất hiện và khi nghiêng mẫu thử, tâm đồng tâm sẽ dịch chuyển.

Chúng tôi cung cấp nhiều loại giao thoa kế, mỗi loại được thiết kế cho một mục đích cụ thể. Ở đây, chúng tôi sẽ giới thiệu các loại giao thoa kế điển hình dùng để đo biên dạng bề mặt.

Giao thoa kế Fizeau

Giao thoa kế này sử dụng nguồn sáng laser. Nó có cấu trúc đơn giản và có thể đo các bề mặt phẳng và hình cầu với độ chính xác cao, được phân bố rộng rãi nhất trong tất cả các giao thoa kế. Sau khi chùm tia laze đi qua thấu kính phân kỳ, bộ tách chùm và thấu kính chuẩn trực, các tia trở nên song song. Chúng chiếu vào tấm truyền động có độ chính xác cao (một tấm kính phẳng).

 

Một phần ánh sáng đi qua tấm truyền sẽ bị phản xạ bởi bề mặt tham chiếu (bề mặt ở dưới cùng của tấm truyền), trong khi phần ánh sáng còn lại đi qua tấm truyền, chạm vào bề mặt của mục tiêu được đo và sau đó bị phản xạ. Ánh sáng phản xạ từ bề mặt tham chiếu và bề mặt được đo mục tiêu quay trở lại dọc theo các đường quang học ban đầu. Các vân giao thoa được tạo ra do sự khác biệt về đường quang học.

 

*Bề mặt tham chiếu được đánh bóng với độ chính xác cao, có độ nhám nhỏ hơn 30 nm. Có thể tưởng tượng độ nhám trên bề mặt tham chiếu tương đương với mức nhỏ hơn một quả bóng bàn đặt trên một bề mặt phẳng hoàn toàn cỡ Bình nguyên Kanto ở Nhật Bản. *Bình nguyên Kanto có diện tích khoảng 17.000 km2, tương đương diện tích của Shikoku (18.297,78 km2).

Cấu trúc của giao thoa kế Fizeau

Giao thoa kế Fizeau dùng để đo bề mặt phẳng (Giao thoa kế laser compact F601 (Đo bề mặt phẳng))

Giao thoa kế Fizeau dùng để đo bề mặt phẳng (Giao thoa kế laser G102)

Giao thoa kế Fizeau đo bề mặt hình cầu

Như hình minh họa trên cho thấy, ống kính tham chiếu được sử dụng thay cho mặt phẳng truyền. Điều này giúp ta có thể đo bề mặt hình cầu. Bề mặt cuối cùng của ống kính tham chiếu có hình cầu, được đánh bóng với độ chính xác cao. và trở thành bề mặt tham chiếu. Ở đây, bề mặt tham chiếu cũng là một phương thức để chia chùm sáng thành hai phần. Do đó, chùm sáng laser chiếu vào bề mặt tham chiếu theo góc vuông. Một phần chùm sáng bị phản xạ, trong khi phần còn lại phát ra theo góc vuông và chiếu vào bề mặt đo (bề mặt hình cầu).

 

Khi vị trí của bề mặt đo (khoảng cách giữa bề mặt tham chiếu và bề mặt đo) được điều chỉnh sao cho chùm sáng phát ra từ bề mặt tham chiếu chiếu vào bề mặt đo theo góc vuông, chùm sáng từ bề mặt đo hồi lại dọc theo quang trình ban đầu, giao thoa với chùm sáng bị phản xạ từ bề mặt tham chiếu. Từ đó, ta có thể đo được hình dạng bề mặt của bề mặt đo. Hơn nữa, khi chùm sáng phát ra từ bề mặt tham chiếu được tập trung vào một điểm trên bề mặt đo (thường được gọi là điểm mắt mèo như minh họa trong hình, bề mặt đo là vị trí được biểu thị bằng đường nét đứt), mặt sóng của chùm sáng phản xạ quay 180 độ và hồi lại ống kính tham chiếu, giao thoa với chùm sáng phản xạ từ bề mặt tham chiếu. Điều này giúp ta có thể quan sát vân giao thoa. Ta chỉ có thể quan sát được vân khi bề mặt đo được đặt tại hai điểm này. Tại bất kỳ vị trí nào khác, vân sẽ quá mờ để có thể quan sát được trong mọi ứng dụng thực tiễn. Việc đo khoảng cách giữa hai điểm này giúp ta có thể biết được bán kính cong (R) của bề mặt đo. Hình minh họa cho thấy tình huống đo bề mặt lõm. Để đo bề mặt lồi, cần đặt bề mặt đo giữa điểm mắt mèo và bề mặt tham chiếu.

Giao thoa kế Fizeau dùng để đo bề mặt hình cầu (Giao thoa kế laser compact F601 (Đo bề mặt hình cầu))

Hệ thống giao thoa kế laser compact F601 (đo hình cầu) là một giao thoa kế Fizeau có khẩu độ đường kính 60 mm dùng để đo bề mặt hình cầu.

Ống kính tham chiếu cho giao thoa kế F601

Trong số tám  loại ống kính tham chiếu của chúng tôi, bạn có thể chọn loại phù hợp nhất với yêu cầu của mình để đo biên dạng bề mặt hình cầu có khẩu độ và bán kính cong khác nhau. Nhìn chung, bề mặt tham chiếu của ống kính tham chiếu có độ chính xác tốt hơn λ/20.

 

 

Khoảng đo (bán kính cong) (mm)

Đường kính đo tối đa (mm)

Số F

Bán kính cong của ống kính tham chiếu (mm)

Lồi

Lõm

Lồi

Lõm

0,6

17

2 - 17

3 - 103

27

120

0,7

23

3 - 23

4 - 97

32

120

1,0

43

5 - 43

7 - 77 (130)

40

72 (120)

1,4

65

9 - 65

14 - 75 (170)

46

53 (120)

2,0

105

16 - 105

31 - 38 (255)

53

19 (120)

2,8

150

30 (0) - 150

- (0 - 210)

53

- (75)

5,6

270

150 (125) - 270

- (0 - 90)

48

- (16)

8,0

442

320 (90) - 440

55

  • Trên hình minh họa các giá trị xấp xỉ khi lấy độ dày của ống kính đo bằng zero (0).

  • Giá trị trong ngoặc đơn ( ) trong bảng là dải đo khi sử dụng một loại giá đỡ đặc biệt.

  • Vui lòng liên hệ với chúng tôi khi bán kính cong của ống kính đo gần bằng zero (0).

Hình giao thoa cho biết ước tính sơ bộ về hình dạng và độ phẳng (hay độ cầu) của bề mặt đo. Nhưng đối với biên dạng bề mặt có mức chính xác cao thì cần một máy phân tích đặc biệt.

 

Máy phân tích vân giao thoa chụp hình vân CCD vào máy tính, thu nhận các pha cho từng điểm sáng, sau đó tính toán hình dạng. Ta có thể sử dụng nhiều phương pháp để tính pha. Ở đây, chúng ta sẽ tìm hiểu ngắn gọn về phương pháp quét vân và biến đổi Fourier.

Phương pháp quét vân

Vân thu được bằng giao thoa kế thường là các ảnh có độ sáng thay đổi như sóng hình sin. Do đó, nếu biết độ sáng tại các điểm đang quan sát, bạn có thể biết pha ban đầu tại điểm đó và thu được sự khác biệt giữa quang trình (thông tin chiều cao). Tuy nhiên, ảnh đổ bóng và nhiễu khiến ta khó xác định được độ sáng và pha ban đầu từ một hình ảnh vân. Người ta đã phát triển phương pháp quét vân để thu được chính xác pha ban đầu.

 

Khi dịch chuyển một chút bề mặt tham chiếu hoặc bề mặt đo theo hướng trục quang học, khoảng cách giữa chúng sẽ thay đổi, qua đó cho phép quan sát thay đổi vân. Hình dạng nói chung của vân không thực sự thay đổi, nhưng khi nhìn kỹ vào từng điểm riêng lẻ, bạn sẽ thấy độ sáng thay đổi theo tính chu kỳ như thế nào khi quét vân.

 

Khi vân được quét trong đúng một chu kỳ (2π), khoảng cách giữa bề mặt tham chiếu và bề mặt đo sẽ thay đổi. Trong thời gian này, với mỗi lần quét vân tại khoảng ̄π/2 (một phần tư của một vân), bốn hình giao thoa khác nhau được chụp lại (lấy ví dụ như phương pháp bốn bước), đồng thời tính được pha ban đầu từ những thay đổi về độ sáng. Khi độ sáng tại một điểm quan sát thể hiện thay đổi ở mức I0, I1, I2 và I3, có thể biểu diễn pha ban đầu (Φ) như sau:

Tuy nhiên, Φ được gói thành một giá trị trong khoảng –π và π, vì vậy nếu có bước nhảy pha 2π) tại các điểm lân cận thì cần phải cộng hoặc trừ 2π để kết nối các pha. Thao tác này được gọi là gỡ pha.

 

Nếu tính Φ cho tất cả các điểm và nối kết quả với nhau, bạn có thể thu được dữ liệu cho tất cả các pha. Sau đó, khi dữ liệu này được chuyển đổi thành chiều dài, bạn có thể thu được hình dạng.

Để thực hiện quét vân, bề mặt tham chiếu được dịch chuyển cơ học bằng cách sử dụng phần tử piezo, vì vậy bạn sẽ cần gắn một bộ chuyển đổi quét vân chuyên dụng vào giao thoa kế.

 

Ngoài thuật toán 4 bước nêu trên, một số thuật toán khác cũng đã được phát triển cho phương pháp quét vân, bao gồm thuật toán 3, 5 và 7 bước, v.v. Mỗi thuật toán đều có đặc điểm riêng, nhưng một trong số đó có thể được áp dụng vào phép đo có độ chính xác cao.

 

 

Dưới đây là bốn hình ảnh được chụp cho mỗi π/2, các pha được tính từ hình ảnh đó và chế độ xem từ trên không cho thấy kết quả gỡ pha. Máy phân tích giao thoa kế sẽ tự động thực hiện các loại thao tác này.

Ví dụ về phương pháp quét vân: Tải bốn hình ảnh cho mỗi ̄/2

Ví dụ về đo bằng phương pháp quét vân:
Kết quả phân tích thu được bằng cách tính pha từ bốn hình ảnh quét vân và bằng cách gỡ pha (chế độ xem từ trên không)

Máy phân tích vân giao thoa sử dụng phương pháp quét vân (Hệ thống phân tích vân A1)

Ví dụ: Đo mặt sóng truyền

Hình này minh họa một hệ thống quang học dùng đo mặt sóng truyền của ống kính bộ thu quang học bằng giao thoa kế Fizeau. Ống kính bộ thu quang học là loại ống kính phi cầu hai mặt có đặc tính hiệu chỉnh quang sai tuyệt vời. Khi sóng mặt phẳng (hay sóng hình cầu) đi vào, sóng hình cầu có độ quang sai cực thấp sẽ phát ra. Do đó, khi sử dụng ống kính vô cực, sóng mặt phẳng phát ra từ giao thoa kế đi vào ống kính thử nghiệm và chùm tia đi qua ống kính hồi lại tại bề mặt hình cầu tham chiếu, cho phép ta đo quang sai mặt sóng truyền.

 

Khi đo ống kính không vô cực, chùm tia song song phát ra từ giao thoa kế sẽ đi vào ống kính thử nghiệm. Do ảnh hưởng từ ống kính của bộ chuẩn trực, chúng đi vào ống kính thử nghiệm, chuyển từ chùm hội tụ sang phân kỳ. Tương tự, chùm tia truyền hồi lại tại bề mặt hình cầu tham chiếu, cho phép đo quang sai mặt sóng truyền. Khi đo ống kính không vô cực, cần đảm bảo rằng tiêu điểm của bộ chuẩn trực và điểm đối tượng của ống kính thử nghiệm phù hợp với nhau, vì vậy cần có một ống nối đặc biệt có tích hợp ống kính của bộ chuẩn trực chùm tia tích hợp.

Đo mặt sóng truyền của ống kính

Hình minh họa một ví dụ về phân tích mặt sóng truyền của ống kính bộ thu quang học bằng giao thoa kế FI251N và Máy phân tích vân A1. Khi đo mặt sóng truyền của ống kính, ta cần cân nhắc tới quang sai bậc ba. Máy phân tích này tính mức giá trị P-V và RMS của toàn bộ bề mặt của mặt sóng, cũng như quang sai bậc ba (độ nghiêng, độ lệch tiêu, loạn thị, quang sai coma và quang sai cầu). Khung bên phải hiển thị quang sai bậc ba. Ở đây, độ nghiêng và độ lệch tiêu là những vấn đề do căn chỉnh giao thoa kế – ống kính – bề mặt hình cầu tham chiếu gây ra và không phải là một vấn đề quá quan trọng. Trong quá trình kiểm tra ống kính, ba loại quang sai—loạn thị, quang sai coma và quang sai cầu—là những vấn đề lớn và rất quan trọng đối với việc kiểm tra đại lượng và hướng.

Kết luận

Giao thoa kế có thể đo các bề mặt bằng kính, kim loại, nhựa, gốm và các vật liệu khác (dù là bề mặt phẳng, hình cầu, hình trụ, cong hai chiều quadric hoặc không cầu), miễn là bề mặt được đánh bóng. Máy cũng có thể dễ dàng đo mặt sóng truyền của ống kính. Đây là lý do vì sao giao thoa kế đóng vai trò quan trọng trong ngành quang học và các lĩnh vực khác.

 

Ứng dụng

  • Đo hình dạng của nhiều loại bề mặt và mặt sóng truyền, bao gồm ống kính thủy tinh và ống kính nhựa cho hệ thống ghi quang học (ống kính camera, ống kính máy sao chép, ống kính bộ thu quang học, v.v. và thông tin quang học, v.v.). Ngoài ra còn đo hình dạng của mặt sóng truyền.
  • Đo hình dạng hoặc mặt sóng truyền của bề mặt phẳng của gương, bộ lọc, lăng kính, kính LCD, đĩa kính, linh kiện bằng kính của hệ thống ghi quang học, bộ phản xạ khối góc, chi tiết hình ảnh ba chiều, v.v.
  • Đo hình dạng của đa dạng các phụ tùng cơ khí (bề mặt bộ phận vòng đệm bằng kim loại hoặc gốm, lưỡi cắt, bánh răng, bề mặt ổ bi, v.v.) và linh kiện điện/điện tử.