Российские ученые разработали алгоритм высокоточного анализа сложных оптических поверхностей

Везде, где требуется высокоточное (до одного нанометра) бесконтактное 3D-измерение рельефа поверхностей: для контроля формы оптики, анализа микроперемещений и деформаций в аэрокосмической, полупроводниковой и машиностроительной отраслях, проверка делается с помощью фазосдвигающей интерферометрии. Этот метод, основанный на сдвиге фаз волн, позволяет точно восстановить профиль поверхности, однако сложен в применении и калибровке, а также чувствителен к шуму и вибрациям. Не-фазосдвигающие методы являются альтернативой: в них нет подвижных частей, что упрощает работу и позволяет получать результаты в реальном времени. В их основе — анализ статичных полос.

«Основная проблема существующих не-фазосдвигающих методов заключается в снижении эффективности, когда появляются шумы. А они появляются неизбежно. Это электронные шумы используемой видеокамеры, флуктуации излучения лазера, вибрации компонентов измерительного оборудования и пр. Отсюда и задача: взять известный алгоритм и постараться оптимизировать его таким образом, чтобы результаты получились как минимум не хуже, чем у зарубежных аналогов. Ну и поработать над вычислительной производительностью и сделать возможным измерения в режиме реального времени», — рассказал Илья Галактионов, кандидат физико-математических наук, руководитель сектора адаптивной оптики в квантовых и оптических коммуникациях Квантового центра МТУСИ и сотрудник проектно-конструкторского бюро разработки космических технологий Института цифрового неба МФТИ.

Исследователи из МТУСИ и МФТИ создали модификацию алгоритма, который с высокой точностью реконструирует зашумленные карты интерференционных полос — изображения чередующихся темных и светлых полос. Они образуются в результате интерференции света, отраженного от оптической поверхности. По отклонениям полос от прямых линий определяются дефекты поверхности волокна. Алгоритм основан на не-фазосдвигающей интерферометрии на базе интерферометра Физо — многолучевого интерферометра, который массово применяется для контроля качества изготовления оптических деталей. Статья опубликована в журнале Applied System Innovation.

Предложенный алгоритм состоит из четырех этапов. Первый этап включает в себя сглаживание мелких неоднородностей шума в интерференционной картине с помощью алгоритма адаптивного скользящего среднего — усреднения яркости соседних пикселей. На втором этапе происходит фильтрация быстрым преобразованием Фурье — техника, удаляющая крупные шумы с сохранением полезного сигнала. Далее производится определение величин экстремумов — максимумов и минимумов яркости полос. Последний, четвертый, этап — аппроксимация полиномами для сглаживания кривых полос — увеличивает точность реконструкции.

Ученые проверили эффективность алгоритма на экспериментальных данных от 30 различных поверхностей. Результаты показали, что метод с высокой точностью воспроизводит интерференционное изображение. Разница в измерениях профиля поверхности составила менее 2% от значений, полученных на эталонном оборудовании — интерферометре Зайго (Zygo) при стандартных условиях. 

Новый подход может обрабатывать до 50 полос на изображении размером 256 пикселей, что превышает показатели предыдущих методов. Кроме того, он успешно обрабатывает артефакты, такие как пыль, царапины и искаженные полосы. Исследователи протестировали эффективность алгоритма для разного уровня шумов. Он может высокоточно реконструировать изображение при шуме 280 условных единиц. Кроме того, с его помощью можно измерять волновой фронт до 30 раз в секунду, что позволяет проводить измерения в режиме реального времени.

«Как и у любого алгоритма, ограничения, разумеется, есть. Уровень шума не должен быть выше определенного порога, иначе алгоритм не сможет разрешить интерференционную картину. Есть ограничения по числу последовательных применений алгоритма скользящего среднего и быстрого преобразования Фурье — оператор должен сам оценивать необходимое число операций. В будущем планируется автоматизировать эти процессы, выработать критерии, по которым алгоритм сможет сам определять требуемые параметры, без оператора. Кроме того, планируется использовать преимущества нейронных сетей для решения этой задачи. В разумных пределах, конечно», — добавил Владимир Топоровский, ведущий сотрудник сектора адаптивной оптики в квантовых и оптических коммуникациях Квантового центра МТУСИ и сотрудник проектно-конструкторского бюро разработки космических технологий Института цифрового неба МФТИ.

Ученые МТУСИ и Физтеха создали надежную альтернативу фазосдвигающей интерферометрии, упростив установку и повысив устойчивость к шуму без потери точности. С помощью алгоритма возможно анализировать сложные поверхности в режиме реального времени, такие как, например, торцы волокон.