автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Анализ проблем формирования компьютерной элементной базы композиции оптических систем

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

-"оиьа «'Т'О описи

7

Сальников Александр Владимирович

УДК 535 317

АНАЛИЗ ПРОБЛЕМ ФОРМИРОВАНИЯ КОМПЬЮТЕРНОЙ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ КОМПОЗИЦИИ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Специальность 05.11 07 — Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2007

003069770

Работа выполнена на кафедре «Прикладная и компьютерная оптика» Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики

Научный руководитель - кандидат технических наук,

старший научный сотрудник ИЛ Лившиц

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

В А Зверев

кандидат технических наук, Д.Ю. Волков

Ведущее предприятие - ОАО «ЛОМО»

Защита состоится 29 мая 2007 года в 15 ч. 30 мин На заседании диссертационного совета Д 212 227.01. «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы» при Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: Санкт-Петербург, пер. Гривцова, д.14, аудитория 314А.

Автореферат разослан 20 апреля 2007 года

Отзывы и замечания по автореферату направлять в адрес СПбГУ ИТМО. 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр, дом 49, секретарю диссертационного совета Д 212 227.01

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.227.01, кандидат технических наук, доцент

В М. Красавцев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы

Современный уровень развития информационных технологий позволяет на основании результатов анализа проблем формирования компьютерной элементной базы применительно к области композиции оптических систем частично автоматизировать процесс структурного синтеза оптических схем, что подтверждает актуальность настоящего исследования

Настоящая работа нацелена на развитие процесса автоматизации проектирования оптических систем в направлении поиска и генерации стартовых точек при расчете фотообъективов Данное научное направление является весьма актуальным в силу того, что, несмотря на наличие широкого спектра программных продуктов, предназначенных для моделирования и расчета оптических систем, таких как CAPO, ОПАЛ, CODE V, OSLO, SYNOPSYS и др , процессам начала проектирования, которые, как правило, и определяют положительный результат при создании оптических приборов любого уровня, уделяется недостаточно внимания Решение данной задачи полностью приходится на оптика-разработчика, ее автоматизация зачастую сводится к созданию информационно-поисковых систем, в большинстве своём основанных на базе патентной информации Подобного рода системы создаются, в основном, за рубежом (к примеру - LensView), они доступны на коммерческой основе

Применённая в работе теория, впервые описанная проф Русиновым М. М и дополненная в работах Лившиц ИЛ, до настоящего времени имела ограниченное применение и использовалась небольшой группой разработчиков, а также для обучения студентов по специальности «техническая оптика»

Цель работы

Цель настоящей работы заключается в формировании компьютерной элементной базы применительно к области композиции объективов

Задачи исследования

1 Анализ и формализация теории структурного синтеза оптических систем.

2 Формализация знаний эксперта-оптика об элементной базе и её применении в процессе структурного синтеза объективов.

3 Разработка алгоритма структурного синтеза оптических схем и реализация тестового программного продукта

4. Анализ применения программного продукта на примерах технических заданий из области проектирования объективов

Методы исследования

1. Аналитические методы, основанные на применении теории геометрической оптики

2. Компьютерное моделирование хода лучей и оценка качества изображения оптической системы с использованием специализированного программного обеспечения.

3. Современные информационные технологии, в т ч интернет-технологии и методы объектно-ориентированного программирования

4. Методы организации хранения и управления реляционными базами данных

Научная новизна диссертации

1. Разработан подход к решению задачи формирования компьютерной базы элементов с известными оптическими свойствами

2 Разработан подход к формализации знаний эксперта-оптика в области нахождения стартовой точки при расчете оптической системы

3. Предложена идеология проектирования оптических систем, основанная на распределенном многоуровневом доступе к информационным ресурсам

4 При создании программного продукта использованы современные технологии и применены открытые средства разработки программного обеспечения

5 Настоящая работа является первой попыткой реализовать указанную теорию применительно к современным информационным технологиям

Основные положения, выносимые на защиту

1 Формализация знаний эксперта-оптика об оптических элементах и их применении при формировании схем оптических систем, основанная на использовании реляционной базы данных

2 Обобщенный алгоритм структурного синтеза, позволяющий получать структурные схемы объективов

3 Методика организации хранения информационных ресурсов и управления распределенным многоуровневым доступом к ним

4 Результаты анализа применения тестового программного продукта, автоматизирующего процесс структурного синтеза схем объективов

Практическая ценность работы

1 Настоящая работа является реализацией теории композиции М М Русинова и ее развития в работах И Л Лившиц применительно к особосветосильным и широкоугольным объективам

2 Иерархическая классификация оптических систем, лежащая в основе предложенною подхода, позволяет осуществлять прямой переход от требований технического задания к рассмотрению конкретного класса оптических систем

3 Созданная база данных оптических элементов и банк экспертных правил являются открытыми, разработанный программный продукт позволяет осуществлять гибкое управление накопленными ресурсами

4 Предлагаемый подход к управлению доступом к накопленным ресурсам и их совместному использованию открывает дополнительные возможности для разработчиков оптических систем и позволяет повысить эффективность процесса проектирования

5 В работе приведены примеры структурного синтеза оптических схем различного класса, а также даются рекомендации по параметрическому

синтезу с применением программы расчета оптических систем «SYNOPSYS»

6 Разработанный программный продукт может быть использован в процессе обучения специальности «техническая оптика»

Апробация работы

Работа апробирована на многих научных конференциях, как в России, так и за рубежом Основные результаты работы докладывались

- на конференции «Прикладная оптика - 2004» международного оптического конгресса «Оптика XXI век», 18—21 октября 2004 г, Санкт-Петербург,

- на IV международной конференции «Optics-photonics Design & Fabrication» 12-15 июля 2004 г, Токио, Япония,

- на IV международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика - 2005», 17-21 октября 2005 г, Санкт-Петербург,

- на V международной конференции «Optics-photonics Design & Fabrication» 6-8 декабря 2006 г., Нара, Япония

Публикации

По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и библиографического списка из 34 наименований, содержит 98 страниц основного текста, 18 рисунков и 12 таблиц

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение

Существует достаточное количество программных продуктов для расчета оптических систем любой степени сложности, однако выбор стартовой точки остается функцией разработчика Под стартовой точкой понимается

структурная схема оптической системы, определяющая типы, количество и взаимное расположение оптических элементов, составляющих систему

Удовлетворение требований, предъявляемых к разрабатываемой оптической системе, во многих случаях может обеспечиваться различными принципиальными схемами, что свидетельствует о существовании нескольких возможных решений Выбор оптимального варианта традиционно осуществляется специалистом-оптиком, который на ранних этапах решения задачи проектирования, при определении структурной схемы, руководствуется, в основном, личным опытом и опытом своих коллег, а также банками патентной и научно-технической информации

Глава 1. Анализ предметной области

Разработку оптической системы можно представить как многошаговый процесс принятия решений, включающий анализ технического задания, выбор структурной схемы объектива, определение параметров, их оптимизация и анализ качества изображения (рис 1)

Определяющим является этап выбора структурной схемы (стартовой точки), поскольку при ее удачном выборе результат достигается значительно быстрее за счет более быстрой сходимости процесса оптимизации. Таким образом, если в структурную схему изначально заложены необходимые коррекционные возможности, процесс оптимизации сойдется значительно быстрее В случае «неудачного» выбора схемы требуемый результат, как правило, не достигается

Несмотря на то, что существует достаточное количество программных продуктов для расчета оптических систем любой степени сложности, большинство из них автоматизируют последние два этапа оптимизацию параметров системы и анализ качества изображения В некоторых программных продуктах предлагается подход к решению задачи выбора стартовой точки посредством поиска аналогов в патентной базе, данный метод не позволяет получить качественно новых решений

Ф — о

I

[-К

ш

т

о

т

ШГТ^ХГЛ*У|уж»Я|!!Ш А Иерархическая классификация ОС

Н-зР»":' '^.-'г-' -мАл В Алгоритм синтеза, экспертные праеилэ

С Элементы с известными свойствами

Рис. 1. Основные этапы проектирования оптической системы

В результате проведенного анализа предметной области выявлен ряд проблем по формализации процесса композиции оптических систем: 1. Подход к формированию компьютерной элементной базы, а. Критерии отбора оптических элементов.

б. Формализация записи свойств оптических элементов.

в. 'Применение современных систем управления базами данных. 2. Подход к формализации процесса композиции оптических систем.

а. Формализация знаний эксперта об областях применения элементов.

б. Формализация экспертной оценки степени пригодности элементов в конкретной области применения.

в. Критерий оценки пригодности структурных схем в конкретной области применения.

Указанные проблемы ограничивают возможность формализации процесса синтеза оптических схем, настоящая работа посвящена их решению.

Глава 2. Формализация теории композиции

В соответствии с рассмотренным процессом разработки оптической системы первый этап - этап анализа технического задания предлагается

решать, используя особую классификацию оптических систем, позволяющую

осуществлять непосредственный переход от параметров технического задания

к рассмотрению конкретного класса систем Второй и третий этапы — этапы

выбора структурной схемы и определения значений ее параметров

предлагается осуществлять, используя элементы с известными оптическими

свойствами (не вносящие определенных видов аберраций), руководствуясь

общей формулой синтеза и набором экспертных правил Настоящая работа

посвящена формализации указанных подходов и их объединению в рамках

единого программного продукта Перейдем к более подробному

рассмотрению указанных подходов

Наиболее общая классификация ОС (по расположению предмета и

изображения относительно ОС) включает четыре класса систем'

телескопические, фотообъективы, микрообъективы и оборачивающие

системы В рамках настоящей работы рассматривается только класс

фотообъективов Предлагаемая в работах Анитроповой И Л и Волосова Д С

классификация различает объективы по следующим характеристикам-

величина относительного отверстия, угловое поле, фокусное расстояние,

диапазон ахроматизации, качество изображения, величина заднего фокального

отрезка и положение входного зрачка

Спектры значений каждой из характеристик разделены на три диапазона

Каждый диапазон обозначен индексом 0, 1 или 2 таким образом, что чем выше

индекс диапазона, тем сложнее реализация требований технического задания

Отдельный класс ОС определяется совокупностью индексов диапазонов

каждой из семи характеристик Таким образом, в принятой классификации

объективов различается З7 = 2187 классов

При рассмотрении конкретного технического задания, руководствуясь

таблицей диапазонов, определяются индексы диапазонов, соответствующих

требуемым значениям семи характеристик Сумма индексов класса

показывает общую степень его сложности и может принимать значения от О

до 14 Системы с индексом сложности от 0 до 7 охарактеризованы как

относительно простые, свыше 7 - относительно сложные

9

По теории синтеза профессора Русинова М.М. основной принцип построения структурной схемы ОС заключается в установке очередного оптического элемента ОС строго в соответствии с его функциональным назначением, исключающая возможность попадания в оптическую систему "лишних" элементов. Профессор М. М. Русинов, выделял два типа элементов; базовые и коррекционные. Применительно к синтезу светосильных, особосветосильных и широкоугольных объективов были дополнительно введены элементы для развития относительного отверстия и углового поля, условно названные "светосильными" и "широкоугольными". Указанные 4 основных типа оптических элементов обозначаются в работе следующими буквами латинского алфавита; В - базовые или силовые элементы, К. -коррекционные элементы, С - светосильные элементы, 8 - широкоугольные элементы.

Рис. 2. Функциональный порядок расположения элементов.

В работах Русинова ММ. и Лившиц И.Л, указанные типы элементов предлагается располагать в строго определённом порядке. В начале устанавливается базовый элемент, он является положительным и формирует оптическую силу системы. Далее, при необходимости, устанавливается коррекционный элемент, служащий в целях корректировки остаточных аберраций. Затем, в указанных местах, в зависимости от требований технического задания, располагаются светосильный и широкоугольный элементы. При необходимости эти элементы могут также быть дополнены

своими коррекционными элементами. Показанный порядок расстановки элементов условно назван «формулой синтеза» [рис, 2).

Для того чтобы уже на начальных этапах разработки объектива минимизировать аберрации, предлагается строить элементы из поверхностей, с известными оптическими свойствами, свободные от некоторых видов аберраций, В своих работах Русинов выделяет следующие типе.] поверхностей: ), Р - поверхность, концентричная центру входного зрачка ОС,

2. А - апланатнческая поверхность, предмет и изображение находятся в апланатических точках,

3. Р - поверхность, концентричная точке фокуса,

4. 1 - поверхность, расположенная в близфокальной зоне, 5.0- плоская поверхность.

Оптические элементы образуются совокупностью как минимум двух из указанных поверхностей.

Поверхности, входящие в состав схемы ОС, могут располагаться различным образом относительно апертурной диафрагмы, предмета и изображения, при этом были выделены следующие варианты их расположения, условно названные «зонами» (рис. 3):

- 1я зона - занимает пространство от предмета до апертурной диафрагмы,

- 2я зона - занимает пространство вблизи апертурной диафрагмы, обычно в пространстве справа от нее,

- Зя зона - близфокальная зона.

* .'.-¿¿г I * .; ' (

____яют

т

1

2 , 3

Рис 3, Зоны расположения оптических поверхностей.

На этапе структурного синтеза разработчику еще не известны конкретные конструктивные параметры системы, в то время как место расположения этих поверхностей выбирается им именно на данном этапе В связи с этим ориентация скобок (рис 3) показывает не вид поверхности, а условно обозначает зону ее расположения в оптической системе В настоящей работе осуществлён переход к числовому обозначению зон

В работах М М Русинова и ИЛ Лившиц были проанализированы различные комбинации указанных поверхностей В результате проведенной работы для каждого типа были получены списки оптических элементов, образованных двумя поверхностями Всего был выявлен 41 элемент

Проведенный группой экспертов логический анализ конструкций оптических систем, созданных поколениями разработчиков, применительно к теории композиции оптических систем, и дальнейшее развитие данной теории в области проектирования объективов, позволили выявить и обобщить более 400 правил характеризующих применение выявленных ранее элементов

Информация о структуре оптических элементов формализована в виде базы элементов В настоящей работе также развит подход к формализации знаний об области применения определённого оптического элемента в конкретном классе систем, в результате чего получена база эвристических правил насчитывающая свыше ста записей Указанные базы оптических элементов и экспертных правил, легли в основу алгоритма структурного синтеза.

Глава 3. Проектирование программного продукта В соответствии с рассмотренным подходом к процессу синтеза оптических систем, с учетом особенностей формирования списков оптических элементов и представленной классификацией, разработан алгоритм синтеза структурных схем оптических систем

Рис. 4. Общий алгоритм структурного синтеза оптических схем.

Рассмотрим общий алгоритм структурного синтеза объективов (рис. 4):

1. Пользователем задаются значения показателей класса искомой оптической системы.

2. Пользователь выбирает пороговые значения индексов применимости элементов и схем. Выбор пороговых значений осуществляется с целью сокращения количества синтезированных схем,

3. С использованием ранее описанной базы данных программно формируются исходные списки оптических элементов. Затем при помощи экспертных правил определяется индекс применимости каждого из элементов в рассматриваемом классе.

4. Из сформировавшихся списков программно отбираются элементы с индексом применимости ниже заданного порогового значения, а оставшиеся элементы сортируются по убыванию индекса применимости. Это позволяет уже на ранних этапах синтеза получить комбинации с высокими суммарными индексами применимости.

3. Пршенеии© эадпертиых погни-/■ о п ред еле м ив, ИП элементов

Экспертные прйаипа

Сортировке списка элементов ло ИП

5, Генерация схем по формуле синтеза." определение ИП схем

6 Сортировка списка схем то ИП

7. Определение дйпслнугтельных параметров схем

Сокращения:

■ ОС - оптическая система а ИП - Индекс применимости

5 В соответствии с описанной ранее формулой синтеза осуществляется генерация структурных схем Программно анализируются различные комбинации оптических элементов, учитывается возможность соседства каждой из пар элементов, и для каждой полученной схемы рассчитывается ее индекс применимости

6 Схемы с индексом применимости ниже требуемого признаются непригодными Для оставшихся схем программно определяются значения дополнительных параметров

7 В заключение, пользователю выдаётся список структурных формул, синтезированных из элементов, рекомендованных экспертами к применению в рамках рассматриваемого класса искомой оптической системы

Разумеется, как количество, так и качество синтезируемых схем напрямую зависит от полноты базы оптических элементов и экспертных правил Рассмотренный алгоритм лег в основу структуры программного продукта реализующего расширенный подход к решению задачи структурного синтеза схем оптических систем, в которую вошли

- банк данных, включающий базу иерархических классификаций, рассмотренные ранее базы оптических элементов и экспертных правил, базы формул синтеза и структурных схем. Он также содержит административную информацию- базы пользователей, групп, проектов и прав доступа

- программные модули, включающие- модуль контроля доступа (осуществляет соблюдение уровней доступа к данным), редакторы данных, алгоритм синтеза, алгоритм поиска и структуры представления

Глава 4. Реализация программного продукта методами современных информационных технологий

Важной особенностью предлагаемого подхода является его ориентация на совместное накопление и использование ресурсов распределенными группами специалистов Подобные тенденции прослеживаются сегодня во многих областях, также отчётливо они наблюдаются и в науке Важную роль в их формировании играют современные информационные технологии, а также развитие международной политики государств

В работе показан один из примеров взаимовыгодной работы двух групп пользователей в системе использующей современные сетевые технологии, суть которого заключается в следующем, в свободно-доступной информационной системе имеется некоторое ограниченное количество открытых ресурсов Предположим, данной системой пользуется некая группа пользователей, условно назовем ее «группа А», которая в дополнение к имеющимся открытым ресурсам накопила некую базу собственных оптических элементов и сформулировала правила их применения в рамках открыто-доступной классификации Представим, что в системе также представлена другая группа, условно назовем ее «группа В», которая исследовала возможности получения качественно новых схемных решений, накопила некую базу собственных схем и сформулировала новые последовательности получения структур При наличии в системе особенных средств поиска, позволяющих выявить факт наличия информации, удовлетворяющей критериям поиска, не раскрывая ее деталей (в случае отсутствия соответствующих прав доступа), на определенном этапе работы среди групп возникнет заинтересованность в обмене накопленными ресурсами В таком случае группы могут организовать посредством имеющихся в системе механизмов ограниченный доступ к части собственных информационных ресурсов группам-партнерам (рис. 5)

Группа А

/" сеть Интернет *

/ :

■ Открытые ресурсы

Группа В

Рис. 5. Пример совместного использования ресурсов.

Необходимо отметить, что при создании тестового программного продукта реализующего указанный алгоритм применен целый спектр современных открытых средств разработки программного обеспечения, в том числе: среда разработки Eclipse версии 3.2, система контроля версий Subversion версии !.4, система управления базами данных MySQL версии 5.0, HTTP-сервер Apache версии 2,0.

Глава 5. Применение программною продукта

В данной главе рассматривается применение разработанного тестового программного продукта на ряде примеров типичных технических задании на проектирование и расчет объективов. Рассмотренная ранее классификация объективов позволяет осуществлять прямой переход от указанных значений характеристик технического задания к рассмотрению конкретного класса объективов. При помощи тестового программного продукта для искомого класса получается список структурных, формул оптических систем, из которых для рассмотрения в качестве стартовой точки выбирается формула с наибольшим показателем применимости. На основе выбранной структурной

16

схемы с применением программного обеспечения для расчета оптических систем проводится параметрический синтез: задаются указанные типы поверхностей, принимая во внимание требуемые величины апертурной диафрагмы и фокусного расстояния задаются толщины, и, руководствуясь общими рекомендациями по проектированию оптических систем, задаются конкретные марки стёкол, например: для положительных элементов - К8, для отрицательных элементов - Ф1 (см. пример на рис. 6).

1

Рас. 6. Пример синтезированной схемы объектива.

В результате в каждом из примеров получена оптическая схема, приведены таблицы значений коэффициентов третьего порядка и показана динамика изменения значений некоторых из аберраций, представляющих особый интерес применительно к теории М.М, Руси нова. Необходимо отметить, что полученные решения не подвергались параметрической оптимизации.

Заключение

В настоящей работе показан один из путей решения задачи формирования компьютерной элементной базы композиции оптических систем. Основой предложенного подхода являются:

- применение иерархической классификации оптических систем, позволяющей осуществлять непосредственный переход от типового технического задания к рассмотрению конкретного класса систем,

- использование элементов с известными оптическими свойствами, не вносящих определённых видов аберраций, предоставляющих необходимые коррекционные возможности,

- формализация знаний эксперта-оптика, позволяющая в сочетании с алгоритмом структурного синтеза осуществлять накопление опыта специалиста и его автоматизированное применение в процессе поиска новых схемных решений,

- применение объектно-ориентированных методов и открытых средств разработки программного обеспечения,

- применение современных сетевых технологий и организация распределенного многоуровневого доступа к ресурсам, открывающих новые возможности для разработчиков оптических систем

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем

1. Разработана компьютерная база элементов с известными оптическими свойствами и банк экспертных правил, описывающий варианты применения указанных элементов 2 Создан тестовый программный продукт, формализующий процесс композиции оптических систем, позволяющий синтезировать структурные схемы

3. Предложен подход, позволяющий увеличить темпы накопления, обмена и совместного использования информации о свойствах оптических элементов и вариантах их применения 4 Проведены примеры, подтверждающие целесообразность решения задачи структурного синтеза оптических систем предложенным методом в области проектирования и расчета объективов

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1 Сальников А В, Лившиц И Л Классификация оптических систем, пригодная для организации базы данных // Сборник трудов международной конференции «Оптика-99», - СПб. СПб ГИТМО(ТУ), 1999г, с.198

2 Сальников А В "SYNOPSYS" - доступный инструмент молодого разработчика оптических систем // Сборник докладов международного оптического конгресса «Оптика XXI век», - СПб • СПб ГИТМО(ТУ), 2000г, с 157-159

3 Demin А V., Salnikov А V., Sorokin A.V. Measuring image stabilization error in dynamics // In Proc/ 3rd International Conference on Optics-Photonics and Fabrication, ODF'()2, Tokyo, Japan, 2002, p 121-123.

4 A. Salnikov, I Livshits CAD of optical system structural scheme // In Proc : IV International Conference on Optics-Photonics and Fabrication, ODF'04, Tokyo, Japan, 2004, p 107-108

5. Лившиц И.Л., Сальников А В, Unchung Cho Исследование возможности решения задачи структурного синтеза объективов методом экспертных оценок // Сборник трудов международной конференции «Прикладная оптика - 2004» , - СПб.: СПбГУ ИТМО, 2004г., с. 140-144.

6 Сальников А.В., Лившиц ИЛ, Unchung Cho Формализация процесса структурного синтеза объективов // Труды IV международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика - 2005», - СПб • СПбГУ ИТМО, 2005г, с. 134-135

7 I Livshits, A Salnikov, I. Bronchtein, U Cho Database of optical elements suitable for lens CAD // In Proc V International Conference on Optics-Photonics and Fabrication, ODF'06, Nara, Japan, 2006, p 31-32

Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении «Университетские телекоммуникации»

197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр, 49 Тел (812) 233-46-69 Тираж 100 экз

Введение.

Постановка задачи.

Глава 1. Анализ предметной области.

1.1 Введение.

1.2 Проектирование оптической системы.

1.3 Классификация объективов и ее связь с композицией оптических систем.

1.4 Формирование элементной базы.

1.5 Выводы.

Глава 2. Формализация теории композиции.

2.1 Введение.

2.2 Структура классификации объективов.

2.3 Введение понятия «индекс сложности класса».

2.4 Выделение функциональных типов оптических элементов.

2.5 Типы оптических поверхностей и зоны их расположения.

2.6 Обозначение оптических элементов и структурных схем.

2.7 Формирование списков оптических элементов.

2.8 Формирование экспертных правил.

2.8.1 Выбор базового элемента.

2.8.2 Выбор коррекционного элемента.

2.8.3 Выбор элемента для развития относительного отверстия.

2.8.4 Выбор элемента для развития углового поля.

2.9 Выводы.

Глава 3. Проектирование программного продукта.

3.1 Введение.

3.2 Структура базы данных.

3.3 Общий алгоритм структурного синтеза схем оптических систем.

3.4 Архитектура программного продукта.

3.5 Интерфейс пользователя.

3.6 Сквозное тестирование программного продукта.

3.7 Выводы.

Глава 4. Реализация программного продукта методами современных информационных технологий.

4.1 Введение.

4.2 Выбор средств проектирования программного обеспечения.

4.3 Совершенствование структуры программного продукта.

4.4 Пример совместного распределенного использования ресурсов.

4.5 Выводы.

Глава 5. Применение программного продукта.

5.1 Введение.

5.2 Пример первый.

5.2.1 Структурный синтез.

5.2.2 Параметрический синтез.

5.3 Пример второй.

5.3.1 Структурный синтез.

5.3.2 Параметрический синтез.

5.4 Пример третий.

5.4.1 Структурный синтез.

5.4.2 Параметрический синтез.

5.5 Выводы.

Тенденции современного научного технического прогресса во всех областях знаний нельзя представить без внедрения современных компьютерных технологий, в том числе без автоматизации процессов проектирования в различных областях науки и техники.

В настоящее время существует достаточное количество конкурирующих программных продуктов (SYNOPSYS, OSLO, Code V, Zemax, Opal, Demos) для расчета оптических систем любой степени сложности. Однако они не решают вопросы автоматизации проектирования, поскольку выбор стартовой точки по-прежнему остается функцией разработчика. Существует ряд попыток решения этой проблемы, к этому числу также относится теории М. М. Русинова [1] и Д. Шеффера [4]. Однако на сегодняшний день не существует современной программной реализации предлагаемых подходов.

Основная цель настоящей диссертационной работы заключается в проведении анализа проблем формирования компьютерной элементной базы применительно к области композиции объективов. Создание современных программных продуктов, решающих задачу автоматизации проектирования оптических систем является одним из основных направлений в оптике, вследствие чего тема настоящей диссертационной работы в области проектирования оптических и оптико-электронных приборов и комплексов является актуальной.

Удовлетворение требований, предъявляемых к разрабатываемой оптической системе, во многих случаях может обеспечиваться различными принципиальными схемами, что свидетельствует о существовании нескольких возможных решений. Выбор оптимального варианта решения традиционно осуществляется специалистом-оптиком, который на ранних этапах решения задачи проектирования, при определении структурной схемы, руководствуется, в основном, личным опытом и опытом своих 4 коллег, а также банками патентной и научно-технической информации. Выбор подхода М.М. Русинова в качестве теоретической базы в настоящей работе сделан по ряду причин, основными из которых являются его гибкость, логичность и предрасположенность к алгоритмизации.

В данной работе принято решение ограничиться рассмотрением содержащих только преломляющие сферические поверхности центрированных объективов с фиксированными оптическими характеристиками, у которых объект находится на бесконечном расстоянии, а изображение - на конечном. Выбор данных ограничений связан с тем, что в этом классе систем накоплен больший опыт [2, 3], позволяющий выявить систему эвристик - эмпирических и полуэмпирических правил, применяемых при композиции оптических систем.

Постановка задачи

Главная цель настоящей диссертационной работы заключается в проведении анализа проблем формирования компьютерной элементной базы применительно к области композиции объективов. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. Выполнить анализ и формализацию теории структурного синтеза оптических систем.

2. Разработать подход, позволяющий формализовать знания эксперта-оптика об элементной базе и её применении в процессе структурного синтеза объективов.

3. Разработать алгоритм, формализующий процесс синтеза структурных формул схем объективов.

4. Спроектировать и реализовать компьютерную элементную базу.

5. Спроектировать и реализовать тестовый программный продукт.

6. Провести анализ целесообразности и эффективности применения разработанных подходов на примерах расчета типовых технических заданий из области проектирования объективов.

Основные результаты настоящей работы заключаются в следующем:

1. Проведен анализ проблем формирования компьютерной элементной базы в области композиции оптических систем, в результате которого определен ряд требований и сформулированы задачи по формализации процесса композиции оптических систем.

2. Разработана компьютерная элементная база и банк экспертных правил, описывающие свойства и варианты применения рассмотренных оптических элементов в различных классах объективов, формализующие знания эксперта-оптика о процессе композиции оптических систем.

3. Разработанная база реализована посредством применения современной системы управления реляционными базами данных.

4. Разработан тестовый программный продукт, автоматизирующий процесс построения структурных схем оптических систем.

5. Проведено сквозное тестирование разработанного программного продукта, позволившее выявить, насколько полно имеющаяся база оптических элементов и экспертных правил перекрывает область, охватываемую используемой классификацией объективов.

6. Предложен подход к накоплению экспертных знаний и их совместному использованию, позволяющий увеличить темпы накопления и обмена знаниями в области проектирования оптических систем.

7. Рассмотрены примеры выполнения типичных для анализируемой области технических заданий, рекомендованные ведущей организацией.

Подведение итогов проведенной работы позволяет сделать общий вывод о том, что все поставленные в работе задачи выполнены полностью. Полученные результаты подтверждают целесообразность и эффективность решения задачи формирования компьютерной элементной базы в области композиции оптических систем предложенным методом в сфере проектирования и расчета объективов.

Заключение

В настоящей работе проведен анализ проблем формирования компьютерной элементной базы в области композиции оптических систем. На основании результатов выполненного анализа предложен подход к решению данной задачи. Основой предложенного подхода являются: применение иерархической классификации оптических систем, позволяющей осуществлять непосредственный переход от параметров типового технического задания к рассмотрению конкретного класса систем; использование оптических элементов, строящихся из поверхностей с известными оптическими свойствами, не вносящих определённых видов аберраций и предоставляющих необходимые коррекционные возможности; формализация знаний эксперта-оптика, позволившая в сочетании с разработанным алгоритмом структурного синтеза осуществлять накопление опыта специалистов и его автоматизированное применение в процессе поиска схемных решений; применение открытых средств разработки программного обеспечения, современных сетевых технологий и предложенного подхода к совместному использованию ресурсов, позволяющих повысить эффективность использования разработанного подхода к процессу синтеза структурных схем объективов, что открывает новые возможности для разработчиков оптических систем.

1. Русинов М. М. Техническая оптика. Л.: Машиностроение (Ленинградское отделение), 1979. 448 с.

2. Анитропова И. JL, Голованевский Г. JI. Система эвристического синтеза оптических схем. М. Препринт ИПМ АН СССР 31, 1990.

3. Анитропова И. JL, Пряничников В. Е. Проектирование базовых оптических модулей. М. Препринт ИПМ АН СССР 43,1987.

4. D. Shafer, "Simple Method for Designing Lenses", SPIE, 1980 International Lens Design Conference, vol. 237,1980, pp. 234-241

5. I.L. Anitropova, "Simple method for computer-aided lens design with elements of artificial intelligence", International Symposium on Optical Systems Design, Proc. SPIE Vol. 1780,1992.

6. Грамматин А.П., Деген А.Б., Мальцев И.М. Принципы построения архива исходных оптических систем. В кн.: Всесоюзный семинар по теории и расчету оптических систем (5-7 апреля 1982 г.), Сборник материалов, Л.: 1983, с.32.

7. Волосов Д.С. Фотографическая оптика. М.: Искусство, 1971. 670 с.

8. Чуриловский В.Н. Теория оптических приборов. М.-Л.: Машиностроение, 1966, 564 с.

9. Волосов Д.С. Методы расчета сложных фотографических систем. М.-Л.: Гостехиздат, 1948. 394 с.

10. Ю.Зверев В.А., Иванова Т.А. Некоторые вопросы проектирования оптики приборов из базовых элементов. Оптико-механическая промышленность. 1976. №0 С. 14-17.

11. Русинов М.М. Композиция оптических систем. Л.: Машиностроение (Ленинградское отделение), 1989. 383 с.

12. Акаев А. А., Майоров С. А. Оптические методы обработки информации. М.: Высшая школа, 1988. 237 с.

13. Волосов Д.С. Фотографическая оптика. (Теория, основы проектирования, оптические характеристики). Учебное пособие для киновузов. М.: Искусство, 1978. 543 с.

14. И.Родионов С.А. Автоматизация проектирования оптических систем. Учебное пособие для приборостроительных вузов. JL: Машиностроение (Ленинградское отделение), 1982. 270 с.

15. СшЬсарев Г.Г. Методы расчета оптических систем. Л.: Машиностоение, 1969. 672 с.

16. Слюсарев Г.Г. Геометрическая оптика. М.-Л.: АН СССР, 1946, 332 с.

17. Сокольский М.Н. Допуски и качество оптического изображения. Л.: машиностроение (Ленинградское отделение), 1989. 221 с.

18. Марешаль А., Франсон М. Структура оптического изображения. М.: Мир, 1964. 295 с.

19. Игнатовский B.C. Элементарные основы теории оптических приборов. Л. -М.: Госуд. Техн.-теоретич. Изд-во, 1933. 184 с.

20. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1970, 856 с.

21. Волосов Д.С., Цивкин М.В. Теория и расчет светооптических систем. М.: Искусство, 1960, 526 с.

22. Грамматин А.П. Методы синтеза оптических систем. Учебное пособие. СПб: СПб ГИТМО (ТУ), 2002, 65 с.

23. Мартин Л. Техническая оптика. М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1960,424 с.

24. Русинов М.М., Грамматин А.П., Иванов П.Д. и др. Вычислительная оптика: справочник. Л.: Машиностроение (Ленинградское отделение), 1984,423 с.

25. Гаврилова Т.А., Хорошевский В.Ф. Базы знаний интеллектуальных систем. СПб.: Питер, 2001,384 с.

26. Кириллов В.В. Основы проектирования реляционных баз данных. Учебное пособие. СПб.: ИТМО, 1994.

27. Кириллов В.В., Громов Г.Ю. Структурированный язык запросов (SQL). Учебное пособие. СПб.: ИТМО, 1995.

28. Сальников А.В., Лившиц И.Л. Классификация оптических систем, пригодная для организации базы данных. Сборник трудов международной конференции «Оптика-99». СПб.: СПб ГИТМО(ТУ), 1999г., с. 198.

29. Сальников А.В. "SYNOPSYS" доступный инструмент молодого разработчика оптических систем. Сборник докладов международного оптического конгресса «Оптика XXI век», СПб.: СПб ГИТМО(ТУ), 2000г., с. 157-159.

30. Demin A.V., Salnikov A.V., Sorokin A.V. Measuring image stabilization error in dynamics. In Proc.: 3rd International Conference on Optics-Photonics and Fabrication, ODF'02, Tokyo, Japan, 2002, p.121-123.

31. Alexander Salnikov, Irina Livshits, CAD of optical system structural scheme. IV International Conference on Optics-Photonics and Fabrication, ODF'04, Tokyo, Japan, 2004, p. 107-108.

32. Лившиц И.Л., Сальников A.B., Unchung Cho, Исследование возможности решения задачи структурного синтеза объективов методом экспертных оценок. Сборник трудов международной конференции «Прикладная оптика 2004». СПб.: СПб ГУИТМО, 2004г., с. 140-144.

33. Сальников А.В., Лившиц И.Л., Unchung Cho, Формализация процесса структурного синтеза объективов. Труды IV международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика 2005». СПб ГУИТМО, СПб, 2005, стр. 134-135.

34. Livshits, A. Salnikov, I. Bronchtein, U. Cho, Database of optical elements suitable for lens CAD. In Proc.: V International Conference on Optics-Photonics and Fabrication, QDF'06, Nara, Japan, 2006, p.31-32.