طور العلماء الروس خوارزمية للتحليل عالي الدقة للأسطح البصرية المعقدة
عندما يكون هناك حاجة إلى قياس ثلاثي الأبعاد عالي الدقة (يصل إلى نانومتر واحد) لتضاريس السطح: لمراقبة شكل البصريات، وتحليل الإزاحات الدقيقة والتشوهات في صناعات الفضاء الجوي وأشباه الموصلات والهندسة الميكانيكية، يتم التحقق باستخدام قياس التداخل المتغير الطور. يمكن لهذه الطريقة، المستندة إلى تحولات طور الموجة، إعادة بناء المظهر الجانبي للسطح بدقة، ولكنها صعبة الاستخدام والمعايرة، كما أنها حساسة للضوضاء والاهتزاز. تعتبر الطرق التي لا تعتمد على تحويل الطور بديلاً: فهي لا تحتوي على أجزاء متحركة، مما يجعل التشغيل أسهل ويسمح بالحصول على النتائج في الوقت الفعلي. وهي تعتمد على تحليل الخطوط الثابتة. “المشكلة الرئيسية في الأساليب الحالية التي لا تعتمد على تحويل الطور هي أن الكفاءة تنخفض عند إدخال الضوضاء. وهي تظهر حتماً. هذا هو الضجيج الإلكتروني لكاميرا الفيديو المستخدمة، والتقلبات في إشعاع الليزر، واهتزاز مكونات معدات القياس، وما إلى ذلك. ومن هنا تأتي المهمة: خذ خوارزمية معروفة وحاول تحسينها بحيث لا تكون النتائج على الأقل أسوأ من نظيراتها الأجنبية. حسنًا، اعمل على أداء الحوسبة واجعل القياسات في الوقت الفعلي ممكنة،” قال إيليا. جالاكتيونوف، مرشح العلوم الفيزيائية والرياضية، رئيس قطاع البصريات التكيفية في الاتصالات الكمومية والبصرية في مركز MTUSI الكم وموظف في مكتب التصميم لتطوير تقنيات الفضاء في معهد MIPT Digital Sky. أنشأ باحثون من MTUSI وMIPT تعديلاً على الخوارزمية التي تعيد بناء خرائط هامشية صاخبة بدقة عالية – صور لأهداب داكنة وخفيفة بالتناوب. تتشكل نتيجة لتداخل الضوء المنعكس من السطح البصري. يتم تحديد العيوب الموجودة في سطح الألياف من خلال انحرافات الخطوط عن الخطوط المستقيمة. تعتمد الخوارزمية على قياس تداخل غير متغير الطور يعتمد على مقياس تداخل Fizeau، وهو مقياس تداخل متعدد الحزم يستخدم على نطاق واسع للتحكم في جودة تصنيع الأجزاء البصرية. تم نشر المقال في مجلة Applied System Innovation. تتكون الخوارزمية المقترحة من أربع مراحل. تتضمن المرحلة الأولى تنعيم عدم تجانس الضوضاء الصغيرة في نمط التداخل باستخدام خوارزمية المتوسط المتحرك التكيفي – مع متوسط سطوع وحدات البكسل المجاورة. تتضمن المرحلة الثانية ترشيح تحويل فورييه السريع، وهي تقنية تزيل الضوضاء الكبيرة مع الحفاظ على الإشارة المفيدة. بعد ذلك، يتم تحديد القيم القصوى – الحد الأقصى والحد الأدنى لسطوع الخطوط. المرحلة الأخيرة والرابعة – التقريب بواسطة كثيرات الحدود لتنعيم الخطوط المنحنية – تزيد من دقة إعادة البناء. اختبر العلماء فعالية الخوارزمية على بيانات تجريبية من 30 سطحًا مختلفًا. وأظهرت النتائج أن الطريقة تعيد إنتاج صورة التداخل بدقة عالية. كان الاختلاف في قياسات المظهر الجانبي للسطح أقل من 2% من القيم التي تم الحصول عليها باستخدام المعدات المرجعية، مقياس التداخل Zygo، في ظل الظروف القياسية. يمكن للأسلوب الجديد معالجة ما يصل إلى 50 شريطًا في صورة بحجم 256 بكسل، وهو ما يعد تحسينًا مقارنة بالطرق السابقة. بالإضافة إلى ذلك، فهو يتعامل بنجاح مع القطع الأثرية مثل الغبار والخدوش والخطوط المشوهة. اختبر الباحثون فعالية الخوارزمية لمستويات الضوضاء المختلفة. يمكنه إعادة بناء الصورة بدقة عالية عند مستوى ضوضاء يبلغ 280 وحدة عشوائية. بالإضافة إلى ذلك، يمكنه قياس واجهة الموجة حتى 30 مرة في الثانية، مما يسمح بإجراء قياسات في الوقت الفعلي. “مثل أي خوارزمية، هناك، بالطبع، قيود. يجب ألا يكون مستوى الضوضاء أعلى من عتبة معينة، وإلا فلن تتمكن الخوارزمية من حل نمط التداخل. هناك قيود على عدد التطبيقات المتتالية للمتوسط المتحرك وخوارزميات تحويل فورييه السريعة – يجب على المشغل نفسه تقييم العدد المطلوب من العمليات. في المستقبل، من المخطط أتمتة هذه العمليات وتطوير المعايير التي من خلالها ستتمكن الخوارزمية من تحديد المعلمات المطلوبة بنفسها، بدون مشغل. بالإضافة إلى ذلك، من المخطط الاستفادة من الشبكات العصبية وأضاف فلاديمير توبوروفسكي، الموظف الرائد في قطاع البصريات التكيفية في الاتصالات الكمومية والضوئية في مركز MTUSI Quantum Center والموظف في مكتب التصميم لتطوير تقنيات الفضاء في معهد MIPT Digital Sky Institute، “لحل هذه المشكلة في حدود معقولة بالطبع”. ابتكر علماء من MTUSI وPhystech بديلاً موثوقًا لقياس التداخل بتحول الطور، مما أدى إلى تبسيط عملية التثبيت وزيادة مقاومة الضوضاء دون فقدان الدقة. باستخدام الخوارزمية، من الممكن تحليل الأسطح المعقدة في الوقت الفعلي، مثل نهايات الألياف على سبيل المثال.
