CC BY
71
ОПТИЧЕСКИЕ И ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
УДК 535.317
А. В. Сальников
Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики
КОМПЬЮТЕРНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССА СТРУКТУРНОГО СИНТЕЗА ОБЪЕКТИВОВ
Анализируются результаты разработки компьютерной системы, предназначенной для автоматизации процесса проектирования оптических систем для синтеза исходной схемы при расчете объективов. Приведен общий алгоритм структурного синтеза объективов.
Существует достаточное количество программных продуктов для расчета оптических систем (ОС) любой степени сложности, однако выбор исходной системы остается функцией разработчика. Под исходной системой понимается структурная схема, определяющая типы, количество и взаимное расположение элементов, составляющих оптическую систему. При этом существует несколько возможных решений. Выбор оптимального варианта структурной схемы осуществляется специалистом-оптиком, который на начальных этапах проектирования оптической системы руководствуется в основном личным опытом, используя также патентную и научно-техническую информацию.
Группой специалистов из Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики разработана компьютерная система, предназначенная для автоматизации процесса структурного синтеза оптических систем. Анализу этой компьютерной системы и посвящена настоящая статья.
В соответствии с теорией композиции оптических систем [1—3] их разработку можно представить как многошаговый процесс принятия решений. Основные этапы проектирования ОС представлены на рис. 1, а. Определяющим является этап выбора структурной схемы, поскольку при ее удачном выборе результат достигается значительно быстрее за счет более быстрой сходимости процесса оптимизации. Рис. 1, б демонстрирует распределение функций между разработчиком и компьютером.
В большинстве программных продуктов для расчета оптических систем автоматизированы лишь два этапа: оптимизация параметров системы и анализ качества изображения. Предлагаемый в некоторых случаях подход к выбору исходной системы посредством поиска аналогов в патентной базе не позволяет получить качественно новых решений.
В результате анализа области проектирования ОС выявлены следующие проблемы, ограничивающие возможность формализации процесса композиции оптических схем, а именно:
— выбор критериев отбора оптических элементов;
— формализация свойств оптических элементов;
— определение подхода к формированию компьютерной элементной базы;
— формализация критериев оценки степени пригодности элементов в конкретной области применения.
а)
Техническое задание
Анализ технического задания
б)
Человек
Компьютер
А
О
© — О
с
о — о о ©
о ©
А — иерархическая классификация ОС В — алгоритм синтеза, экспертные правила С — элементы с известными свойствами
Рис. 1
В процессе проектирования оптической системы при анализе технического задания предлагается использовать разработанную классификацию оптических систем [4], позволяющую осуществлять непосредственный переход от типового технического задания к рассмотрению конкретного класса систем. При выборе структурной схемы и определении значений ее параметров предлагается использовать элементы, имеющие поверхности, не вносящие определенных видов аберраций, руководствуясь при этом формулой синтеза [2, 3] и набором экспертных правил.
По теории проф. М. М. Русинова [1], основной принцип построения структурной схемы ОС заключается в применении каждого оптического элемента строго в соответствии с его функциональным назначением, что исключает возможность попадания в систему „лишних" элементов. Согласно этой теории выделяют два типа элементов: базовые и коррекционные. Применительно к синтезу светосильных, особосветосильных и широкоугольных объективов были дополнительно введены элементы для увеличения относительного отверстия и углового поля, условно названные „светосильными" и „широкоугольными" [2, 3]. Основные типы оптических элементов принято обозначать буквами латинского алфавита: В — базовые или силовые, К — коррекционные, С — светосильные, £ — широкоугольные. Рекомендуется располагать элементы в следующем порядке: £, К, В, К, С, К (см., например, рис. 2). Поверхности в составе структурной схемы могут располагаться различным образом относительно апертурной диафрагмы, объекта и изображения. Выделены три основных варианта их расположения, условно названные „зонами". Первая зона находится в пространстве от предмета до апертурной диафрагмы, вторая зона — вблизи апертурной диафрагмы, обычно в пространстве справа от нее, третья — близфокальная зона.
Проведенный с участием группы экспертов анализ конструкций оптических систем применительно к теории их композиции и дальнейшее развитие этой теории в области проек-
Анализ качества изображения
т
Оптическая схема объекти
Компьютерная система для автоматизации процесса структурного синтеза объективов 53
тирования объективов позволили описать 41 элемент, а также выявить и обобщить более 400 правил, характеризующих их применение. Полученная информация была формализована в виде базы описаний элементов и эвристических правил, которая послужила основой алгоритма структурного синтеза.
Приведем описание алгоритма структурного синтеза объективов.
1. Задаются значения показателей класса оптической системы.
2. Выбираются пороговые значения индексов применимости элементов и схем в целях сокращения количества синтезированных вариантов.
3. С использованием базы данных программно формируются исходные списки оптических элементов, в результате анализа экспертных правил определяется индекс применимости каждого из элементов.
4. Из сформированных списков программно отбираются элементы с индексом применимости ниже порогового значения, оставшиеся элементы систематизируются по убыванию индекса применимости, что позволяет получить комбинации с высокими суммарными индексами применимости.
5. По формуле синтеза осуществляется генерация структурных схем: анализируются различные комбинации оптических элементов, учитывается возможность соседства каждой из пар элементов, для полученных схем рассчитывается индекс их применимости.
6. Схемы с индексом применимости ниже порогового значения признаются непригодными.
7. Программно определяются дополнительные параметры схем.
8. Формируется список структурных формул, содержащих описания элементов, рекомендованных экспертами к применению.
Разумеется, как количество, так и качество синтезируемых схем напрямую зависит от полноты базы оптических элементов и экспертных правил.
Применение разработанного тестового программного продукта проанализировано на примерах типовых технических заданий на проектирование и расчет объективов. Разработанная классификация позволяет поставить в соответствие характеристикам, установленным техническим заданием, конкретный класс объективов. Сформированный список структурных формул оптических систем, позволяет выбрать для рассмотрения в качестве исходной схему с наибольшим показателем применимости. На основе выбранной структурной схемы с использованием программного обеспечения для расчета оптических систем проводится параметрический синтез: задаются указанные типы поверхностей; с учетом требуемых величин апертурной диафрагмы и фокусного расстояния задаются толщины оптических элементов и воздушных промежутков между ними; в соответствии с общими рекомендациями по проектированию оптических систем задаются конкретные марки стекол, например: для положительных элементов — К8, для отрицательных элементов — Ф1.
На рис. 2 представлен пример синтезированной схемы объектива с фокусным расстоянием 4,5 мм, относительным отверстием 1:1,8 и угловым полем 84°. Схема содержит следующие оптические элементы:
S1АР — поверхности 1, 2 — широкоугольный элемент, расположенный в 1-й зоне, состоит из апланатической и концентричной центру апертурной диафрагмы поверхностей;
ЮРР — поверхности 3, 4 — коррекционный элемент, расположенный в 1-й зоне, состоит из двух концентричных апертурной диафрагме поверхностей;
5 — поверхность апертурной диафрагмы;
В2АР — поверхности 6, 7 — базовый элемент, расположенный во 2-й зоне, состоит из апланатической и концентричной центру апертурной диафрагмы поверхностей;
С2АР — поверхности 8, 9 — светосильный элемент, расположенный во 2-й зоне, состоит из апланатической и концентричной центру апертурной диафрагмы поверхностей;
K2FF — поверхности 10, 11 — коррекционный элемент, расположенный во 2-й зоне, состоит из двух поверхностей, концентричных точке фокуса.
1
Рис. 2
Полученные решения параметрической оптимизации не подвергались.
список литературы
1. РусиновМ. М. Техническая оптика. Л.: Машиностроение, 1979. 448 с.
2. Анитропова И. Л., Пряничников В. Е. Проектирование базовых оптических модулей. М., 1987. Препринт ИПМ АН СССР, № 43.
3. Анитропова И. Л., Голованевский Г. Л. Система эвристического синтеза оптических схем. М., 1990. Препринт ИПМ АН СССР, № 31.
4. Лившиц И. Л., Сальников А. В., Unchung СИв. Выбор исходной схемы для расчета объективов // Оптич. журн. 2008. № 11. С. 74—78.
Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию
прикладной и компьютерной оптики 04.04.08 г.
