Анализ проблем формирования компьютерной элементной базы композиции оптических систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат технических наук Сальников, Александр Владимирович

• Сальников, Александр Владимирович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сальников, Александр Владимирович

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Анализ проблем формирования компьютерной элементной базы композиции оптических систем»

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.

Заключение диссертации по теме «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы», Сальников, Александр Владимирович

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сальников, Александр Владимирович, 2007 год

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.