Các sơ đồ giao thoa kế cơ bản phục vụ đánh giá chất lượng của chi tiết và hệ thống quang học

Để nghiên cứu bề mặt chi tiết quang học cũng như những bề mặt chính xác khác, từ trước tới nay người ta có rất nhiều cách khác nhau. Quang học là lĩnh vực đòi hỏi độ chính xác cao cả về các bộ phận cơ khí cũng như các linh kiện quang học. Một trong các phương pháp truyền thống là tạo ảnh giao thoa và quan sát nó qua kính hiển vi, sau đó sẽ phân thích các hình ảnh giao thoa để thấy được những sai sót của của các linh kiện quang học. Với lịch sử nghiên cứu hàng trăm năm người ta đã nghiên cứu được nhiều cách tạo ảnh giao thoa khác nhau mà tại đó có thể đặt được các CCD… để đưa hình ảnh ra máy tính cùng với những phần mềm xác định chính xác những khuyết tật của linh kiện quang học.

Cùng sử dụng nguyên lí giao thoa, với những giai đoạn khác nhau người ta đã nghiên cứu và chế tạo ra nhiều loại giao thoa kế khác nhau. Dưới đây chúng ta sẽ xem xét hai giao thoa kế rất thông dụng đó là giao thoa kế Twyman-Green và giao thoa kế Fizeau.

1. Giao thoa kế Twyman-Green

Giao thoa kế Twyman-Green được phát triển trên cơ sơ của giao thoa kế Michelson được sử dụng để kiểm tra các chi tiết quang học như lăng kính, vật kính hiển vi, hay các vật kính máy ảnh…Dựa trên nguyên lý giao thoa ánh sáng, với những thay đổi, sơ đồ nguyên lý của giao thoa kế Twyman-Green có dạng như trên hình 1.

Nguồn sáng điểm S đơn sắc được đặt tại tiêu điểm của ống chuẩn trực CL, nguồn sáng sau khi đi ra khỏi ống chuẩn trực là chùm sóng sóng, chùm sáng này đi tới tấm chia sáng P phản xạ 50% và được chia thành hai chùm sáng. Hai chùm sáng sau khi phản xạ trên hai gương M1, MC chúng sẽ tạo thành hai nguồn kết hợp và giao thoa với nhau. Để quan sát hình ảnh giao
thoa, Twyman-Green đã bố trí ống kính LC và thu được hình ảnh giao thoa trên màn PE. Thấu kính cần kiểm tra LT được đặt trước gương cầu MC sao cho tiêu điểm của thấu kính trùng với tâm cong của gương cầu, điều này cho phép sau khi phản xạ trên mặt gương cầu chùm tia quay trở lại và đi qua ra khỏi thấu kính để quay trở lại bản chia sáng đảm bảo được là sóng phẳng. Hai nguồn này sẽ giao thoa với nhau, hình ảnh giao thoa sẽ quan sát được tại mặt phẳng ảnh PE của thấu kính LC. Như vậy khi đó những sai số của mặt sóng là do thấu kính LT gây ra.

Trong thực tế với những sai sót của các chi tiết cần kiểm tra có thể được quan sát bằng các vân giao thoa do hệ thống tạo ra do các lỗi gia công hay thiết kế của chi tiết, những hình ảnh mang tính đặc trưng trên hình 2 cho chúng ta thấy các loại quang sai của một chi tiết cần kiểm tra.

2. Giao thoa kế Fizeau

Giao thoa kế Fizeau ngày nay được ứng dụng rất nhiều trong việc kiểm tra, đánh giá các chi tiết quang học bởi cách bố trí thuận tiện và hơn nữa loại giao thoa kế này có thể thương mại hoá sản phẩn một cách rộng rãi. Bên cạnh đó hiện nay với sự trợ giúp của máy tính và kỹ thuật điện tử cho phép tạo ra những đầu thu ma trận có độ phân giải cao và những phần mềm phân tích đánh giá một cách chính xác các khuyết tật chủa các chi tiêt quang học.

Nguồn đơn sắc 1 tạo ra chùm tia đi qua gương chia nguồn sáng 2 và đi tới thấu kính chuẩn trực. Nếu người ta bố trí sao cho nguồn 1 nằm trên tiêu điểm của thấu kính chuẩn trực 3 thì khi đó nguồn sáng ra khỏi thấu kính chuẩn trực 2 là chùm song song và tạo ra mặt sóng phẳng. Đối với nguyên lý trong giao thoa kế Fizeau hay với bất kỳ một giao thoa kế nào khác là cần thiết phải có hai nguồn kết hợp thì mói có thể tạo được hình ảnh giao thoa. Ở đây để làm được điều đó người ta bố trí gương bán thấu có mặt chuẩn 6, gương này có nhiệm vụ phản xạ các chùm tia trở về màn quan sát. Ở đây chúng ta đang nói về việc đánh giá các sai số của một chi tiết quang học , vì vậy hãy để ý trên hình 2.3 nguồn sáng sẽ tiếp tục đi tới mặt cần kiểm tra 8 và
phản xạ trở về. Tuy nhiên để đảm bảo kiểm tra được mặt cầu 8 thì nguồn sáng tới mặt 8 phải là mặt cầu, do đó chúng ta thấy có thấu kính chuẩn 7 để tạo mặt cầu từ nguồn đi ra và tới mặt mặt cầu 8. Cần chú ý rằng để tạo nguồn sáng ra khỏi thấu kính chuẩn 7 thì khẩu độ của thấu kính chuẩn ít nhất phải bằng với khẩu độ của chi tiết cần kiểm tra 8 hay ta có:

Trong đó: fkc là tiêu cự kính chuẩn
fkk là tiêu cự của chi tiết cần kiểm tra
D là đường kính làm việc của thấu kính chuẩn
d là đường kính làm việc của chi tiết cần kiểm tra.
Khi đã đảm bảo được điều đó thì chúng ta cần bố trí sao cho tiêu điểm của thấu kính chuẩn nằm trùng với tâm mặt cần kiểm tra. Điều này là để đảm bảo cho nguồn sau khi phản xạ từ mặt kiểm tra về sẽ là nguồn kết hợp với nguồn phản xạ từ mặt chuẩn 6 và khi đó mới cho hình ảnh giao thoa trên thiết bị thu ảnh 5.

Từ hình ảnh giao thoa chúng ta thấy rằng: Mặt sóng phản xạ trên mặt chuẩn 6 khi quay trở về 5 vẫn là mặt sóng chuẩn, mặt sóng sau khi phản xạ từ mặt gương cầu cần kiểm tra có thể không còn là mặt sóng chuẩn nữa do những sai lệch của mặt kiểm tra (trong trường hợp này người ta phải chế tạo thấu kính chuẩn 7 hết sức chính xác và người ta bỏ qua những sai số do thấu
kính này tạo ra khi đo). Như vậy trên hình ảnh giao thoa, những sai sót là do mặt cầu của chi tiết cần kiểm tra 8 gây ra. Phân tích những sai sót đó chúng ta nhận được sai sót của mặt cong của chi tiết cần kiểm tra.

3. Các sơ đồ và nguyên lý giao thoa kế dịch chuyển mặt sóng

3.1 Giao thoa kế Michelson

Một trong những giao thoa kế sử dụng nguyên lý dịch chuyển cơ bản nhất đó là giao thoa kế Michelson. Giao thoa kế này sử dụng gương với nguồn sáng rộng. Sơ đồ quang học của giao thoa kế được mô tả trên hình 4. Một nguồn sáng rộng phát ra ánh sáng đi đến tấm chia chùm O

Tấm chia chùm tia thực chất là một gương bán mạ, đặt nghiêng một góc 45 độ nhằm tách chùm sáng tới thành hai chùm tia vuông góc với nhau. Một chùm truyền qua tấm chia chùm O để đi đến gương phẳng phản xạ M1, một phần phản xạ trên tấm chia chùm O để đi đến gương phẳng phản xạ M2. Hai gương phản xạ được điều chỉnh để phản xạ các chùm sáng trở về tấm chia chùm ngược chiều với hướng đến. Chùm sáng phản xạ từ gương M2 truyền qua tấm chia chùm O để đến màn quan sát D. Chùm sáng quay về từ M1 được phản xạ dưới một góc tới 450 trên tấm chia chùm O để cùng đến màn quan sát D. Hai chùm tia này tách ra từ một chùm sáng tới nên có tính kết hợp và có thể giao thoa với nhau tại D. Để ý ta có thể thấy rằng, chùm tia phản xạ trên gương M2 ba lần đi qua tấm chia chùm O trong khi chùm phản xạ từ gương M1 chỉ đi qua một lần. Để cả hai chùm đều chịu một độ lệch quang trình như nhau gây nên bởi thiết bị, người ta đặt vào khoảng giữa OM1 một bản C giống hệt tấm chia chùm O nhưng không mạ lớp bán phản xạ và được đặt sao cho O song song với tấm chia chùm O. Bản C được gọi là bản bù trừ, nó có tác dụng làm cho hiệu quang trình giữa hai chùm tia chỉ còn phụ thuộc vào hiệu đường đi thực tế của nó.

Giao thoa kế Michelson được dùng để đo độ dài một cách rất chính xác. Khi gương dịch chuyển đi λ/2 thì mỗi vân giao thoa sẽ dịch đến vị trí trước của vân giao thoa kề sát. Điều dễ thấy rằng, người ta chỉ cần đếm số vân giao thoa N đã dịch chuyển đi qua một điểm xác định là có thể xác định được độ dịch chuyển Δd của gương là: ∆d = dN* λ/2 . Việc đếm sẽ trở nên đơn giản khi dùng các thiết bị đếm điện tử.

3.2 Giao thoa kế Mach-Zehnder

Giao thoa kế Mach-Zehnder là một trong những giao thoa kế sử dụng
nguyên lý dịch chuyển với hai bản chia sáng như trong hình 5.

Giao thoa kế này gồm hai bản chia chùm tia và hai gương phản xạ toàn phần, sóng ánh sáng được chia biên độ để đi theo hai nhánh riêng biệt. Hiệu quang trình giữa hai chùm tia có thể tạo ra bằng cách xoay nhẹ một trong hai bản chia chùm tia. Do hai chùm tia riêng rẽ nên việc điều chỉnh thẳng hàng của giao thoa kế tương đối khó, tuy nhiên với cách bố trí như vậy thì giao thoa kế Mach-Zehnder có những ứng dụng hết sức quan trọng, một trong những ứng dụng quan trọng đó là quan sát độ biến thiên các dòng khí. Trong nghiên cứu sự biến thiên của dòng khí, một trong hai chùm tia sẽ đi qua buồng chứa khí cần nghiên cứu và nhánh còn lại sẽ cho đi qua các tấm bù trừ quang trình thích hợp. Khi có những mẫu khí cần nghiên cứu thì hình ảnh giao thoa sẽ có những thay đổi. Song qua những thay đổi của hình ảnh giao thoa đó, người ta sẽ có những phân thích để xác định một cách chính xác về mẫu khí cần nghiên cứu

3.3 Giao thoa kế dịch chuyển

Một trong những phương pháp tin cậy và có độ chính xác cao nhất song để xác định hàm sai sóng là phương pháp giao thoa. Ở đây vấn đề nghiên cứu hệ thống quang học được quy về xác định những biến dạng của mặt sóng ánh sáng do hệ thống quang học cần nghiên cứu tạo ra. Các hệ thống giao thoa kế thương mại của nước ngoài thường sử dụng sơ đồ Fizeau do sơ đồ này có tính linh hoạt cao, có thể sử dụng cho hầu hết các yêu cầu về đánh giá chất lượng của cả hệ thống và chi tiết quang học. Tuy nhiên giao thoa kế Fizeau là một hệ thống rất đắt tiền với những phụ kiện phần cứng đòi hỏi độ chính xác cao và phần mềm xử lý ảnh giao thoa đồ sộ đi kèm, vì vậy ở nước ta chỉ có một vài cơ sở nghiên cứu được trang bị. Trong khi đó vẫn còn có rất nhiều sơ đồ giao thoa kế khác đơn giản, không đòi hỏi cao về phần cứng, nhưng lại có thể đạt được độ chính xác cao, thậm chí hơn cả sơ đồ Fizeau vẫn chưa được phát triển, một trong những sơ đồ đó là giao thoa kế dịch chuyển, ưu điểm lớn nhất của sơ đồ này là không cần sử dụng mặt chuẩn nên độ nhạy và độ chính xác có thể đạt được rất cao.

Trên thực tế chúng ta thấy rằng rất khó để tạo ra một vật kính hoàn toàn lí tưởng mà nó sẽ có những sai lệch nhất định. Bằng giao thoa kế dịch chuyển chúng ta có thể đo được quang sai mặt sóng của thấu kính bằng ảnh giao thoa và khi phân tích ảnh giao thoa đó sẽ đánh giá được chất lượng của chi tiết cần kiểm tra.

Ở đây chúng ta sẽ đưa ra nguyên lí dịch chuyển mặt sóng như trên hình 6

Bằng cách này chúng ta sẽ có hai nguồn sáng đi ra đảm bảo được điều kiện giao thoa, S là khoảng cách dịch ngang của hai mặt sóng.

Chúng ta thấy rằng nếu chi tiết cần kiểm tra hoàn toàn chính xác thì hiệu quang trình ∆W(x,y) sẽ thay đổi một cách đều dặn do mặt sóng vẫn là mặt cầu và vân giao thoa sẽ phải thẳng ∆W(x,y) là chúng ta xét cho hai phương x và y như trên hình 7. Nhưng như đã nói trong quá trình chế tạo nên mặt sóng sẽ bị biến đổi và do đó nó sẽ không còn là mặt sóng cầu nữa hay nói cách khác hình ảnh vân giao thoa sẽ bị sai lệch (không còn thẳng) sẽ có những sai sót vì vậy hiệu quang trình ∆W(x,y) sẽ thay đổi một cách bất thường. Vì vậy tích phân hàm quang trình ∆W(x,y) theo hai phương x và y của lượng dịch chuyển từ 0 đến S, chúng ta sẽ thu được hình ảnh giao thoa và từ đó phân tích để tìm ra các sai số.