Способ комплексной оценки качества оптических зеркал кольцевого лазерного гироскопа методом цифровой обработки сигналов

Данное изобретение относится к лазерным гироскопам (ЛГ), а конкретно, к способам оценки качества оптических зеркал, входящих в состав кольцевого резонатора ЛГ.

Наиболее комплексная проблема, сопутствующая разработке ЛГ, связана с так называемым эффектом синхронизации частот встречных световых лучей (захват лучей). Захват лучей обусловлен рассеиванием излучения по кольцевому тракту и на зеркалах и является следствием взаимного проникновения луча одного направления в луч другого направления. В результате этого явления при малых скоростях вращения прибор функционирует некорректно.

Для уменьшения влияния эффекта захвата лучей необходимо свести к минимуму рассеяние в кольцевом тракте движения и на оптических зеркалах. Исследование поверхности зеркала с целью минимизации величины рассеяния позволит снизить эффект синхронизации частот на выходной сигнал датчика и, как следствие, увеличить точность разрабатываемых ЛГ на этапе изготовления резонатора.

Наиболее близким к заявленному способу является методика в работе [1], в которой рассмотрены алгоритмы цифровой обработки сигналов ЛГ и показана возможность применения данных методов для оценки качества оптических зеркал кольцевого резонатора ЛГ. Для захвата и обработки изображения используется видеокамера, взаимодействие с которой осуществляется специальным программным обеспечением. К недостаткам данного способа следует отнести то, что на изображении зеркала в результате проведенной обработки выделяются только крупные дефекты. Также данная методика оценки качества зеркал не предусматривает поворот зеркала вокруг вертикальной оси в разные угловые положения для проведения полноценного анализа поверхности зеркала.

В работе [2] представлена методика математического анализа изображений подложек и зеркал, позволяющая получить данные о качестве отражающего покрытия по параметрам рассеяния. Недостатком данного способа является то, что представленный анализ рельефа поверхности позволяет лишь отбраковывать подложки, которые не удовлетворяют заявленным техническим требованиям. Исследование зеркала в рамках данной методики проводится в статичном положении, что не позволяет провести полноценный анализ подложки, и, таким образом, повышает коэффициент отбракованных изделий.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в повышении качества напыления подложек зеркал для применения в оптических резонаторах ЛГ. Изобретение позволяет автоматизировать и упростить процесс оценки качества изготавливаемых зеркал.

Технический результат данного изобретения заключается в повышении эффективности анализа поверхностей зеркал за счет отсутствия человеческого фактора при проведении исследования и, как следствие, общего снижения трудоемкости процесса. Повышение технологичности за счет применения поворотной установки при проведении испытаний позволяет получить комплексную оценку качества зеркала.

Для реализации данного способа используются методы цифровой обработки изображений, реализованные в формате программного обеспечения (ПО) для персонального компьютера (ПК) на специализированном рабочем месте проверки зеркал.

К компьютеру подключаются видеокамера, установленная на стереомикроскопе, и поворотная установка по интерфейсу USB, что позволяет унифицировать программное обеспечение, необходимое для проведения испытаний. Для визуального отображения поверхностей оптических зеркал резонаторов ЛГ в микроскопе используется лазерный осветитель, луч которого направляется на исследуемое зеркало. К объективу микроскопа крепится мерная сетка с известной площадью ячейки. В связи с тем, что мерная сетка имеет определенную ширину, при изменении положения зеркала к направлению светового пучка, исходящего от осветителя, некоторые дефекты зеркала могут исчезнуть из поля видимости. Для фиксации всех имеющихся на поверхности дефектов с помощью поворотной платформы совершается полный оборот зеркала вокруг вертикальной оси с заданным шагом поворота при неизменном положении осветителя и микроскопа.

На фиг. 1 представлена схема реализации данного способа. Согласно схеме, после настройки указанного оборудования необходимо задать параметры работы поворотной установки (шаг и скорость поворота) и обработки изображений (время экспозиции и усиление) в ПО рабочего места проверки зеркал. Регулировка последних параметров позволяет получать изображения зеркал с необходимой яркостью без шумовых составляющих. Далее запускается поворотная установка, осуществляющая последовательные повороты зеркала с фиксированным шагом. В каждом положении проводится обработка полученного с видеокамеры изображения в формате RGB. Дефекты на зеркале, под воздействием лазерного осветителя, отображаются на снимке участками красного цвета. Для дальнейшего анализа изображение преобразуется в полутоновый формат, при котором из цветовой гаммы RGB остается только красный цвет. Следующим шагом цифровой обработки является переход к бинарному изображению и выделение дефектов зеркала. Пиксели бинарного изображения принимают одно из двух значений - 0 для фона и 1 для искомых дефектов. Критерием определения этих значений служит величина порога яркости, который рассчитывается по признаку минимальной дисперсии между пикселями на полутоновом изображении. Пиксели со значением яркости, которое меньше рассчитанного порога, становятся логическими нулями, остальные - единицами. Таким образом, определены пиксели изображения, соответствующие расположению дефектов на поверхности зеркала.

Оценка параметров рассеяния светового луча на зеркальной поверхности проводится путем анализа яркости полученного бинарного изображения. В процессе анализа для полученных изображений зеркала в каждом угловом положении зеркала вычисляются такие параметры как: параметры дефектов (их площади и положения на поверхности), параметры яркости и интегрального рассеивания на дефекте с максимальной площадью и общего рассеивания на всех дефектах. Расчет интегрального рассеивания на дефекте с максимальной площадью и суммарного рассеивания на всех дефектах проводится согласно следующим выражениям:

где N, N_def, N_{def_all} - количество пикселей на всем изображении, на максимальном дефекте и всех дефектах соответственно;

S, S_all - средние величины яркости на максимальном дефекте и на всех дефектах соответственно;

z - «нулевая» составляющая величины рассеивания;

l_id - среднее арифметическое значение «идеального» рассеивания;

k=k₁⋅k₂, k₁⋅k₂ - коэффициенты нейтральных фильтров.

Таким образом, при каждом последовательном повороте зеркала проводится обработка изображения поверхности и расчет необходимых параметров. После прохождения поворотной платформой полного оборота на основе полученных данных осуществляется запись рассчитанных параметров в отдельный текстовый файл и проводится установка зеркала в положение с минимальным интегральным рассеянием. Таким образом, определяется оптимальное расположение зеркала по отношению к световому пучку для последующей установки в оптическом резонаторе ЛГ.

Пример реализации данного способа Проверка работоспособности предложенного способа была проведена на нескольких образцах зеркал резонаторов одноосных ЛГ. В результате проверки образца зеркала получен график зависимости рассеяния от положения поворотной платформы, представленный на фиг. 2. Из графиков видно, что минимальная величина рассеивания для данного образца зеркала достигается в положении 40° относительно начального положения поворотной платформы. Установка зеркала в данном положении в резонатор ЛГ позволит минимизировать влияние интегрального рассеяния на точностные характеристики будущего прибора.

Литература

[1] Сергеева А.В., Суханов С.В., Гурлов Д.В. Алгоритмы цифровой обработки сигналов для автоматизации процесса оценки качества оптических зеркал [Текст] // Материалы XI всероссийской школы-конференции молодых ученых «Управление большими системами», Арзамасский научно-образовательный центр теории и систем управления (на базе АПИ НГТУ) - Арзамас, 2014. - С. 846-856.

[2] Серебряков А.Е. Рассеяние оптического излучения в лазерном гироскопе поверхностью зеркал с наноразмерной шероховатостью [Текст] / Серебряков А.Е., Федяев В.К., Чиркин М.В., Юткина А.В. // Сборник научных трудов конференции «Микроэлектроника СВЧ», СПб, 2012. - Т. 2. - С. 207-211.