Nghiên cứu quá trình đánh bóng thấu kính Germanium

Vật lý<br /> <br /> NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH ĐÁNH BÓNG<br /> THẤU KÍNH GERMANIUM<br /> Phạm Thanh Quang*, Hoàng Anh Tú, Trần Tiến Bảo<br /> Tóm tắt: Bài báo trình bày quá trình đánh bóng các thấu kính được làm từ<br /> Germanium có kích thước khác nhau trong hệ thống quang học của vật kính ảnh<br /> nhiệt. Những yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt khi gia công, dung dịch đánh<br /> bóng và phương pháp chỉnh vòng quang trong quá trình đánh bóng đã được nghiên<br /> cứu và áp dụng trong quá trình gia công. Kết quả đo kiểm các thấu kính sau khi<br /> đánh bóng và thử nghiệm tại thực địa cho thấy, sản phẩm có các chỉ tiêu kỹ thuật đạt<br /> yêu cầu đề ra.<br /> Từ khóa: Thiết bị ảnh nhiệt, Thấu kính ảnh nhiệt, Germanium.<br /> <br /> 1. MỞ ĐẦU<br /> Thấu kính ảnh nhiệt (TKAN) là thành phần quan trọng trong thiết bị ảnh nhiệt.<br /> Hiện nay, TKAN đã được nhiều nước trên thế giới chế tạo thành công như: Mỹ,<br /> Nga, Pháp, Trung Quốc, Nhật... Có hai phương pháp để chế tạo TKAN: Phương<br /> pháp truyền thống là mài-đánh bóng và phương pháp hiện đại tức là sử dụng máy<br /> tiện tiếp điểm kim cương.<br /> Đối với phương pháp truyền thống: sử dụng máy mài-đánh bóng thông<br /> thường (như các thủy tinh quang học thông thường).<br /> Một số nước đang sử dụng phương pháp này: Nga, Trung Quốc,...<br /> Đối với phương pháp hiện đại [1], sử dụng máy tiện tiếp điểm kim cương để<br /> gia công TKAN. Một số nước đang sử dụng phương pháp này: Mỹ, Nhật, Anh,...<br /> Trong điều kiện kỹ thuật ở Việt Nam, hiện chưa có máy tiện tiếp điểm kim<br /> cương, nên nhóm tác giả sử dụng phương pháp truyền thống để thực hiện nghiên<br /> cứu gia công TKAN. Quá trình gia công gồm nhiều nguyên công khác nhau: cưa<br /> cắt tạo phôi, mài, đánh bóng, định tâm,... Tuy nhiên, bài báo này chỉ trình bày về<br /> nguyên công đánh bóng cho các thấu kính Germanium có đường kính khác nhau.<br /> 2. ĐÁNH BÓNG THẤU KÍNH GERMANIUM<br /> 2.1. So sánh tính chất của Germanium với thủy tinh thông thường<br /> Bảng 1. So sánh tính chất giữa thủy tinh và Germanium [2],[3].<br /> Đặc tính Thủy tinh Germanium<br /> Cấu tạo Hỗn hợp nhiều loại oxit Cấu tạo từ một loại vật<br /> kim loại khác nhau liệu: Ge, là á kim<br /> Cấu trúc Có dạng vô định hình Dạng tinh thể: lập phương<br /> Độ cứng (theo thang Moh) 4,5÷7,5 6<br /> Độ bền nén (GPa) 0,6÷2 75<br /> Độ giãn nở nhiệt (5,8÷150).10-7 6,1.10-6<br /> Để xác định chế độ công nghệ khi đánh bóng thấu kính Germanium, nhóm tác<br /> giả so sánh cấu trúc, tính chất lý hóa giữa Germanium và với thủy tinh quang học<br /> thông thường, trong bảng 1 đã đưa ra sự so sánh giữa thủy tinh và Germanium.<br /> Từ bảng này, nhóm tác giả nhận thấy rằng:<br /> <br /> <br /> 180 P.T. Quang, H.A. Tú, T.T. Bảo “Nghiên cứu quá trình đánh bóng thấu kính Germanium.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> - Do cấu tạo từ nhiều loại oxit khác nhau nên thủy tinh có độ bền hóa tốt<br /> hơn so với Germanium nguyên chất, thủy tinh chịu tác động của điều kiện môi<br /> trường bên ngoài tốt hơn so với Germanium<br /> - Độ bền nén càng cao thì độ giòn càng cao và khi đó thì độ bền va đập<br /> càng thấp [2]. Germanium có độ bền nén cao hơn rất nhiều so với thủy tinh thông<br /> thường nên Germanium dòn, dễ vỡ, ngoài ra, do còn có cấu trúc dạng tinh thể nên<br /> khó khăn cho gia công cắt gọt, tạo phôi ban đầu;<br /> - Germanium có độ cứng là 6, tuy nhiên, liên kết giữa các hạt trong phân tử<br /> Germanium kém nên dễ gây sứt, vỡ, xước làm khó khăn trong quá trình mài tinh<br /> và đánh bóng.<br /> - Germanium dễ xước và dòn nên khó khăn trong quá trình định tâm.<br /> Nhìn chung, Germanium khó gia công hơn so với thủy tinh quang học<br /> thông thường và hiện nay, trên thế giới cũng chỉ một số nước gia công được<br /> Germanium, còn ở Việt Nam chưa có cơ sở nào gia công được.<br /> 2.2. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình đánh bóng thấu kính<br /> Germanium<br /> 2.2.1. Nhiệt độ đánh bóng<br /> Thủy tinh quang học thông thường, nhiệt độ đánh bóng tốt nhất là 30÷400C [2].<br /> Germanium dễ xước nên đầu đánh bóng phải mềm hơn để đầu bóng không gây<br /> xước bề mặt trong quá trình đánh bóng, do vậy, nhiệt độ đánh bóng tốt nhất cao<br /> hơn so với thủy tinh thông thường và trong khoảng: 40±3°C (nếu nhiệt độ cao hơn<br /> thì đầu đánh bóng sẽ mềm hơn dẫn đến gặp khó khăn trong quá trình đánh bóng).<br /> Thực tế quá trình gia công, thường xuyên phải nung nóng đầu đánh bóng để hạn<br /> chế xước bề mặt.<br /> 2.2.2. Vật liệu dụng cụ đầu đánh bóng<br /> Tính chất của đầu đánh bóng xác định các tham số: áp lực cho phép lên đầu<br /> đánh bóng và độ chính xác bề mặt được đánh bóng, tức là quyết định năng suất<br /> đánh bóng. Đầu đánh bóng bằng nhựa dùng khi đánh bóng tinh, còn nỉ (len, dạ)<br /> dùng khi đánh bóng thô. Nhựa đánh bóng có thành phần là nhựa đường và nhựa<br /> thông, thành phần nhựa thông càng lớn thì nhựa càng mềm.<br /> Với thủy tinh quang học, sử dụng nhựa đánh bóng với tỷ lệ nhựa đường : nhựa<br /> thông là 50:50 [2], do Germanium mềm, dễ xước nên qua thực nghiệm nhóm tác giả<br /> đã xác định được nhựa đánh bóng như sau: tỷ lệ nhựa đường : nhựa thông là 30:70.<br /> 2.2.3. Dung dịch đánh bóng<br /> Bột đánh bóng đối với thủy tinh quang học thông thường là các loại bột của ô-<br /> xít crom, ô-xit thori, ô-xit sắt ba,... kích thước hạt vào khoảng 0,8÷3µm. Tuy<br /> nhiên, chúng không được áp dụng cho Germanium do độ hạt không đồng đều,<br /> thành phần tạp chất tuy ít nhưng vẫn nhiều so với yêu cầu khi gia công Germanium<br /> (do Germanium rất dễ xước).<br /> Hiện nay, bột đánh bóng dùng để gia công Germanium là bột kim cương nhân<br /> tạo (thành phần là Al2O3) [4], [5]. Kim cương nhân tạo cho kích thước hạt đồng đều<br /> và gần như không có tạp chất. Độ cứng theo thang khoáng vật là 9,6÷9,8. Cách pha<br /> dung dịch đánh bóng đối với tấm bán dẫn Germanium được đưa trong tài liệu [4],<br /> trong đó, kích thước bột kim cương nhân tạo 1÷5μm, có thành phần là chất tẩy rửa.<br /> Tuy nhiên, trong điều kiện thực tế gia công thấu kính, chúng tôi tiến hành thử và<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 54 , 04 - 2018 181<br />  Vật lý<br /> <br /> thấy thành phần chất tẩy rửa là không cần thiết đồng thời phải sử dụng bột kim<br /> cương nhân tạo có kích thước 1÷2μm và pha dung dịch đánh bóng với tỉ lệ như sau:<br /> + Theo khối lượng: nước cất: glyxerin = 3:1;<br /> + Theo thể tích: nước cất: glyxerin = 2,5:1.<br /> + Và 8,9g bột kim cương cho mỗi lít dung dịch trên.<br /> 2.2.4. Tốc độ quay của phôi<br /> Tốc độ quay càng lớn thì lượng mài mòn phôi càng nhanh. Lượng mài mòn ở<br /> mỗi điểm trên đĩa mài tỷ lệ với tốc độ dài tương ứng, do đó mép đĩa mài mòn<br /> nhanh. Tuy nhiên, tốc độ nhanh thì chất lượng bề mặt thấp, dễ gây xước bề mặt.<br /> Đối với thủy tinh thông thường, tốc độ đánh bóng vùng biên vào khoảng<br /> 0,3÷0,6m/s [2]<br /> Với Germanium, quá trình đánh bóng bề mặt dễ xước nên tốc độ đánh bóng<br /> sẽ phải nhỏ hơn tốc độ đánh bóng của thủy tinh quang học. Qua thực nghiệm,<br /> nhóm tác giả xác định được tốc độ đánh bóng (V) Germanium tại vùng biên vào<br /> khoảng 0,2÷0,4m/s (nếu thấp hơn nữa thì thời gian đánh bóng sẽ tăng lên). Từ đó<br /> tính ra được tốc độ quay (ω) của trục chính theo công thức: ω=V/R, R là nửa<br /> đường kính phôi.<br /> 2.2.5. Áp lực riêng xuống khâu dưới<br /> Lực ép ảnh hưởng lớn đến tốc độ đánh bóng, áp lực càng lớn thì tốc độ đánh<br /> bóng càng lớn, tuy nhiên, độ chính xác giảm và gây xước bề mặt. Áp lực tại mỗi<br /> thời điểm đánh bóng là khác nhau, giai đoạn đầu của quá trình đánh bóng thì áp lực<br /> lớn hơn, nhưng đến giai đoạn chỉnh vòng quang thì áp lực cần giảm.<br /> Với thủy tinh thông thường, áp lực vào khoảng 50÷80g/cm2 [2].<br /> Lập luận tương tự như trên với Germanium, áp lực sẽ lấy bằng 70% so với thủy<br /> tinh thông thường, tức là áp lực vào khoảng: 35÷60g/cm2. Với những thấu kính có<br /> đường kính lớn thì áp lực cần giảm do tiếp xúc giữa bề mặt gia công và bề mặt<br /> nhựa lớn hơn nên dễ gây xước.<br /> 2.3. Chế độ đánh bóng thấu kính Germanium<br /> Với mỗi thấu kính khác nhau sẽ có chế độ đánh bóng khác nhau. Ở đây, nhóm<br /> tác giả trình bày chế độ đánh bóng cho 03 thấu kính (gồm các thấu kính có đường<br /> kính Φ37, Φ58, Φ79) mà nhóm tác giả đã thực hiện. Chế độ này được rút ra từ quá<br /> trình nghiên cứu lý thuyết ở mục 2.2 kết hợp với việc thực nghiệm gia công bằng<br /> cách thay đổi các tham số để tối ưu dần quá trình đánh bóng. Bảng 2 đưa ra chế độ<br /> đánh bóng cho các thấu kính có kích thước khác nhau.<br /> Bảng 2. Chế độ đánh bóng cho các thấu kính có kích thước khác nhau.<br /> Thấu kính Thấu kính Thấu kính<br /> Tham số<br /> Φ37mm Φ58mm Φ79mm<br /> Tốc độ quay của khâu dưới 103÷206 66÷132 50÷100<br /> Áp lực riêng xuống khâu 50÷60 45÷55 40÷50<br /> dưới (g/cm2)<br /> Áp lực xuống khâu dưới 540÷640 1200÷1500 2000÷2500<br /> Dung dịch đánh bóng Dung dịch kim Dung dịch kim Dung dịch kim<br /> cương nhân tạo cương nhân tạo cương nhân tạo<br /> Phương pháp truyền dung Gián đoạn Gián đoạn Gián đoạn<br /> dịch<br /> <br /> <br /> 182 P.T. Quang, H.A. Tú, T.T. Bảo “Nghiên cứu quá trình đánh bóng thấu kính Germanium.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> 2.4. Cách chỉnh vòng quang khi đánh bóng<br /> Trong quá trình gia công, nhóm tác giả dùng biện pháp cắt đầu đánh bóng ở<br /> các khu vực khác nhau như là biện pháp chính để hiệu chỉnh sự tạo thành hình<br /> dạng bề mặt chi tiết đánh bóng. Phương pháp cắt đầu đánh bóng như sau [2]: Cắt<br /> đầu đánh bóng khu vực nào có bán kính cong bị nhỏ hoặc có xu hướng nhỏ thì cắt<br /> đầu đánh bóng ở khu vực đó:<br /> + Chi tiết bị lõm vùng tâm (đầu đánh bóng ở vùng tâm lồi) - với vòng quang<br /> thấp, cần nâng vòng quang, do đó cắt đầu đánh bóng ở vùng tâm.<br /> + Chi tiết bị lồi vùng tâm (đầu đánh bóng ở vùng tâm lõm) - với vòng quang<br /> cao, cần phải hạ vòng quang, do đó cắt đầu đánh bóng ở vùng mép.<br /> Phương pháp chỉnh vòng quang khi đánh bóng thấu kính Germanium cũng<br /> tương tự như khi đánh bóng thủy tinh thông thường. Tuy nhiên, thời gian để chỉnh<br /> vòng quang cho thấu kính Germanium mất nhiều thời gian hơn do độ hạt nhỏ hơn,<br /> nhựa mềm hơn, áp lực nhỏ hơn. Ngoài ra, quá trình chỉnh vòng quang Germanium<br /> có thể gây xước bề mặt và cần nhiều thời gian để lấy đi hết vết xước đó.<br /> 2.5. Kết quả đạt được<br /> 2.5.1. So sánh chất lượng bề mặt với thấu kính nước ngoài<br /> So sánh nhìn thấu kính bằng mắt thường dưới bóng đèn sợi đốt, nhận thấy:<br /> - Độ bóng: Các thấu kính gia công đạt độ bóng tương đương với các thấu kính<br /> của nước ngoài<br /> - Xước: Còn một số vết xước nhỏ trên bề mặt (thấu kính nước ngoài không có).<br /> 2.5.2. Đo sai số bề mặt và sai số hình dạng<br /> Có nhiều tham số đo kiểm và với mỗi tham số cũng có nhiều cách đo kiểm.<br /> Tuy nhiên, trong phạm vi này, nhóm tác giả chỉ đánh giá sai số bề mặt (số vòng<br /> quang) và sai số hình dạng (sai số vòng quang) và đều sử dụng dưỡng quang học<br /> để kiểm tra. Phương pháp này có ưu điểm là nhanh và không cần các thiết bị bổ trợ<br /> nhưng nhược điểm là độ chính xác không cao. Một số tham số và phương pháp<br /> khác có thể tham khảo trong tài liệu [2]. Hình 1 thể hiện kết quả đo sai số bề mặt<br /> và sai số hình dạng của bề mặt có bán kính R32,26, hình 2 thể hiện độ bóng bề mặt<br /> của các thấu kính sau khi đánh bóng.<br /> Kết quả đo kiểm được như sau.<br /> Bảng 1. Kết quả đo vòng quang các bề mặt gia công.<br /> Đơn vị tính: Vòng quang (N)<br /> STT Thấu kính 1 Thấu kính 2 Thấu kính 3<br /> Bán kính Bán kính Bán kính Bán kính Bán kính Bán kính<br /> R= 34,39 R=32,26 R=170,77 R=265,70 R=134,44 R=95,78<br /> Lần 1 1,5 2,0 0,4 1,0 1,3 2,0<br /> Lần 2 1,0 1,5 0,3 1,4 1,5 1,5<br /> Lần 3 1,0 1,6 0,5 1,0 1,5 1,7<br /> TB 1,2 1,7 0,4 1,1 1,4 1,7<br /> Yêu cầu* 2 2 2 2 2 2<br /> Kết luận Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt<br /> *: Giá trị yêu cầu là theo bản vẽ các thấu kính và được đặt ra do kinh nghiệm<br /> của người thiết kế.<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 54 , 04 - 2018 183<br />  Vật lý<br /> <br /> Bảng 2. Kết quả đo sai số bề mặt các thấu kính gia công (ΔN).<br /> Đơn vị tính: Vòng quang<br /> STT Thấu kính 1 Thấu kính 2 Thấu kính 3<br /> Bán kính Bán kính Bán kính Bán kính Bán kính Bán kính<br /> R= 34,39 R=32,26 R=170,77 R=265,70 R=134,44 R=95,78<br /> Lần 1 0,5 0,4 0,2 0,3 0,6 0,4<br /> Lần 2 0,5 0,5 0,2 0,4 0,5 0,5<br /> Lần 3 0,3 0,5 0,3 0,3 0,5 0,5<br /> TB 0,4 0,5 0,2 0,3 0,5 0,5<br /> Yêu cầu 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5<br /> Kết luận Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. Hình ảnh vòng quang khi đo kiểm bề mặt thấu kính Germani<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> a) b) c)<br /> Hình 2. Các thấu kính Ge sau khi đánh bóng<br /> a. Thấu kính Φ37; b. Thấu kính Φ58; c. Thấu kính Φ79.<br /> Như vậy, các thấu kính sau khi đánh bóng đảm bảo chất lượng, yêu cầu (đã đề<br /> ra) cho các thấu kính ảnh nhiệt.<br /> 2.5.3 Lắp thành hệ quang<br /> Sau khi gia công, nhóm tác giả đã kết hợp với Viện Ứng dụng công nghệ/ Bộ<br /> KH-CN để mạ màng cho các thấu kính. Sau đó, gia công hệ cơ khí và lắp thành<br /> ống kính để tiến hành đo đạc tại phòng thí nghiệm và thử nghiệm thực địa tại Hồ<br /> Tây. Kết quả như sau:<br /> * Tại phòng thí nghiệm:<br /> - Độ nhạy nhiệt NETD: 61 mK (ống kính có tiêu cự 90mm, Fnumber=1,2)<br /> <br /> <br /> 184 P.T. Quang, H.A. Tú, T.T. Bảo “Nghiên cứu quá trình đánh bóng thấu kính Germanium.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> Do đó, độ nhạy tương đương khi Fnumber=1 là: NETDtd=61/1,22=42mK.<br /> Nhận xét: Qua kết quả đo thấy độ nhạy nhiệt NETD của sản phẩm nhóm tác<br /> giả đã thực hiện là khá tốt.<br /> *Tại thực địa:<br /> Quan sát tại thực địa thấy hình ảnh sắc nét, ảnh không bị nhòe, không bị méo.<br /> Cho cự ly quan sát với mục tiêu là người như sau:<br /> - Cự ly phát hiện người: 2 km<br /> - Cự ly nhận dạng người: 780m (hình 3)<br /> <br /> <br /> <br /> Hình ảnh người<br /> và phương tiện đi<br /> lại ở cự ly 780m<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 3. Hình ảnh quan sát qua ống kính gia công trong nước tại Hồ Tây.<br /> 3. KẾT LUẬN<br /> Trên cơ sở nghiên cứu và xác định các chế độ đánh bóng, nhóm tác giả đã thực<br /> hiện gia công thành công 03 thấu kính Germanium của hệ quang vật kính ảnh<br /> nhiệt. Quá trình đánh bóng cho thấy việc đánh bóng thấu kính Germani là một quá<br /> trình khó khăn, bề mặt dễ xước, khó chỉnh vòng quang. Tuy nhiên, nhóm tác giả đã<br /> nghiên cứu tìm hiểu và xác định được loại bột đánh bóng, nhựa đánh bóng. Đồng<br /> thời, xây dựng được các tham số ban đầu cho quá trình gia công các thấu kính có<br /> kích thước khác nhau. Chất lượng sau đánh bóng, mạ màng đạt các chỉ tiêu kỹ<br /> thuật đề ra, lắp thành ống kính cho cự ly quan sát tốt. Thành công này khẳng định<br /> khả năng làm chủ quá trình gia công TKAN với trình độ công nghệ và trang thiết<br /> bị trong nước, nhằm tiết kiệm thời gian, chi phí và từng bước làm chủ công nghệ<br /> ảnh nhiệt.<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. http://www.empireprecision.com/capabilities/single-point-diamond-turning<br /> [2]. Nguyễn Hồng Ngọc, “Giáo trình công nghệ gia công quang học”, Học viện kỹ<br /> thuật quân sự (2007), tr98-100, tr115-118.<br /> [3]. Marvin J. Weber, “Handbook of optical materials”, The CRC Press Laser and<br /> Optical Science and Technology Series (2003), tr 257-286.<br /> [4]. http://www.findpatent.ru/patent/229/2295798.html<br /> [5]. М. А. Окатова, “Справочник технолоrаоптика”, ПОАИТЕХНИКА<br /> ИЗДАТЕЛЬСТВО (2004), tr541-550.<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 54 , 04 - 2018 185<br />  Vật lý<br /> <br /> ABSTRACT<br /> RESEARCH OF PROCESSING POLISH GERMANIUM LENSES<br /> In this paper, the process of polishing Germanium lens with different dimensions<br /> in the thermal imaging is presented. Factors influencing surface quality during<br /> polishing, polishing solvent and optical ring correction method during were studied<br /> and applied during polishing. Test results of the lens after polishing and testing in<br /> the field trials showed that the product has the technical specifications required.<br /> Keywords: Infrared optics, Infrared len, Germanium.<br /> <br /> <br /> Nhận bài ngày 14 tháng 7 năm 2017<br /> Hoàn thiện ngày 18 tháng 01 năm 2018<br /> Chấp nhận đăng ngày 10 tháng 4 năm 2018<br /> <br /> Địa chỉ: Viện Vật lý kỹ thuật, Viện KH&CN quân sự.<br /> *<br /> Email : thanhquangvlkt@gmail.com.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 186 P.T. Quang, H.A. Tú, T.T. Bảo “Nghiên cứu quá trình đánh bóng thấu kính Germanium.”<br />