CC BY
71
ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА НОВЫХ МЕТОДОВ КОМПЬЮТЕРНОГО СИНТЕЗА ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ В.М. Домненко, А.А. Шехонин
Набота посвящена исследованию и разработке новых методов компьютерного синтеза оптических систем различного назначения. В статье рассматривается использование технологий экспертных систем для выполнения структурного синтеза, а также компьютерные средства для выполнения параметрического синтеза на основе различных методик.
Введение
Активное внедрение оптических методов в самые разнообразные процессы получения и обработки информации вызывает необходимость непрерывного расширения номенклатуры оптических приборов. Важным средством решения проблемы обеспечения потребности в оптических приборах является применение систем автоматизированного проектирования. Процесс автоматизированного проектирования оптических систем предполагает выполнение трех основных проектных процедур: синтеза, анализа и оптимизации [1-3]. Существующие системы автоматизированного проектирования оптических систем в значительной степени обеспечивают средствами автоматизации такие проектные процедуры, как анализ и оптимизацию. Наибольшие трудности для автоматизированного проектирования представляет этап начальной композиции оптической системы [4], n/t/ синтеза объекта проектирования.
Задачу исходной генерации оптической системы можно разделить на две подзадачи:
■ выбор структуры оптической системы, или структурный синтез;
■ выбор численных значений параметров элементов оптической системы, или параметрический синтез.
При решении первой подзадачи определяется количество и вид компонентов, составляющих оптическую систему. Проектировщик имеет дело с математически неопределенными структурными связями, с неметрическими элементами структуры, с неформальным описанием функционирования оптической системы [5]. Поэтому в общем случае выбор структуры не относится к классу формально разрешимых проблем и составляет главное содержание творческой деятельности инженера. Однако с развитием информационных технологий появилась возможность автоматизировать решение эвристических задач. В частности, это возможно благодаря применению технологии экспертных систем [6].
При решении второй подзадачи предполагается, что структура оптической системы определена, а параметры и характеристики оптической системы имеют метрическое выражение [5]. В этом случае синтез параметров сводится к поиску решений, удовлетворяющих метрическим критериям, и, следовательно, является формально разрешимым. Однако большинство разработанных в настоящее время методик автоматизированного синтеза параметров оптических систем носят достаточно частный или упрощенный характер. Они в основном ориентированны на создание систем со специальной структурой [7] или на удовлетворение небольшого набора аберрационных и габаритных требований [8]. Это приводит к тому, что многие трудоемкие, но детерминированные задачи параметрического синтеза решаются конструктором без эффективного использования компьютера.
Преодолеть сложившуюся ситуацию возможно на базе разработки универсальных методов автоматизированного синтеза оптических систем, охватывающих стадии габа-
ритного и аберрационного расчета и обеспечивающих соблюдение условий работоспособности, физической реализуемости, конструктивности объектов проектирования.
Автоматизация структурного синтеза оптических систем с использованием экспертных технологий
Основой успеха структурного синтеза оптических систем является накопленный опыт. Осмысленное и структурированное представление этого опыта позволяет решать задачи синтеза новых оптических систем. Технологии экспертных систем позволяют структурировать и представить накопленный опыт в виде базы знаний, организовать диалог, в процессе которого помочь найти решения [6]. Обобщенная структура экспертной системы представлена на рис. 1.
Функционирование экспертной системы осуществляется в двух режимах: наполнение базы знаний и собственно решения задач синтеза. В первом случае с системой работает эксперт, обладающий опытом, структурирующий этот опыт и представляющий его в электронном виде. Во втором случае с системой работает проектировщик, при этом его опыт и квалификация могут быть невысокими.
Рис. 1. Структура экспертной системы
ЭС
Пользователь
А
а
£>о-а \
а
л- Набор параметров
л- Набор параметров
л- Набор параметров
л-
Набор параметров
о- Набор параметров
X л Набор параметров
Запрос к БД
Результат поиска - набор оптических систем (0 и больше)
База данных оптических систем
Рис. 2. Принципиальная схема взаимодействия экспертной системы и базы данных
В данной работе проработаны два варианта использования экспертной системы:
1) формирование исходной композиции оптической системы;
2) формирование запроса в базу данных оптических систем для поиска.
В первом случае экспертная система используется в режиме диалога, результатом которого обязательно будет один и только один вариант исходной композиции оптиче-
ской системы. Целевое действие будет представлять собой описание конфигурации оптической системы. Во втором случае в процессе диалога с экспертной системой формируется запрос в базу данных, который содержит критерии (конкретные значения или диапазоны значений параметров) для поиска системы в базе данных проектной организации. Целевое действие будет представлять собой запрос на языке SQL, который должен быть выполнен СУБД. В результате пользователь получит набор оптических систем или отрицательный ответ, если систем, удовлетворяющих критериям поиска, в базе данных нет (рис. 2).
ОМ-16 <4СЫ0ГЭ5>
Рис. 3. Фрагмент базы знаний для синтеза оптических систем
В большинстве экспертных систем используется модель, основанная на правилах (продукционная модель представления знаний). Согласно этой модели, знания представляются в виде предложений типа «Если (условие), то (действие)». Под «условием» понимается некоторое предложение-образец, по которому осуществляется поиск в базе знаний, а под «действием» - действия, выполняемые при успешном исходе поиска (они
могут быть как промежуточными, выступающими далее как условия, так и целевыми, завершающими работу системы). Таким образом, совокупность экспертных знаний легко представить в виде графа или древовидной структуры (рис. 3).
Следует отметить, что синтез с использованием экспертной системы представляет собой формирование конфигурации на основе опыта, имеющегося в базе знаний (у экспертов организации). Использование экспертных систем не позволяет автоматически создавать новые конфигурации оптических систем. Таким образом, использование экспертных систем направлено в первую очередь на эффективное использование накопленного опыта и повторное использование проектных решений.
Компьютерные средства для автоматизации параметрического синтеза из элементов с заданными свойствами
Одной из наиболее известных и успешно применяемых на практике методик параметрического синтеза является методика М.М. Русинова [4, 9], которая заключается в формировании композиции системы из элементов с заранее известными аберрационными свойствами. Эта методика выгодно отличается тем, что позволяет избежать введения в систему «лишних» параметров и исследовать свойства и коррекционные возможности элементов в области реальных лучей. В качестве поверхностей с заданными свойствами используются так называемые изопланатические поверхности, вносящие примерно одинаковые аберрации по всему полю предмета.
Название подгонки Примечание
Подгонка по углу апертурного луча Кривизна определяется по заданному углу апертурного луча после поверхности
Подгонка по углу главного луча Кривизна определяется по заданному углу главного луча после поверхности
Подгонка по нормали апертур-ного луча Кривизна определяется для обеспечения нормального падения апертурного луча
Подгонка по нормали главного луча Кривизна определяется для обеспечения нормального падения главного луча
Подгонка к апланатической поверхности Кривизна определяется для обеспечения апланатич-ности поверхности
Подгонка к концентричной поверхности Кривизна определяется по кривизне заданной поверхности с обеспечением концентричности
Таблица 1. Подгонки кривизны поверхностей для реализации методики синтеза из элементов с заданными свойствами
Название подгонки Примечание
Подгонка по высоте апертур-ного луча Осевое расстояние определяется по заданной высоте апертурного луча на следующей поверхности
Подгонка по высоте главного луча Осевое расстояние определяется по заданной высоте главного луча на следующей поверхности
Подгонка толщины по краю Осевое расстояние определяется по заданным толщине по краю и световой высоте
Подгонка расстояния от другой поверхности Осевое расстояние определяется по расстоянию до заданной поверхности
Подгонка суммы осевых расстояний Осевое расстояние определяется по заданной сумме осевых расстояний
Таблица 2. Подгонки осевых расстояний для реализации методики синтеза из элементов с заданными свойствами
Для автоматизации этой методики в конструкционной модели оптической системы была реализована возможность задания неопределенных (переменных, связанных) конструктивных параметров. Механизмы определения значений таких параметров названы подгонками. Разработаны подгонки кривизны поверхностей (табл.1) и осевых расстояний (табл. 2), которые позволяют сформировать элементы с заданными свойствами и удерживать их в заданном состоянии даже в процессе оптимизации системы.
Неоспоримым преимуществом модульного принципа М.М. Русинова является возможность создания систем непосредственно в области реальных апертур и полей зрения, с коррекцией аберраций, пригодной для успешной оптимизации. Однако следует отметить и недостатки этого метода: ограниченное число аберраций, контролируемых в процессе синтеза (сферическая, кома, астигматизм 3-го порядка); сложность синтеза схем с переменными характеристиками и повторным ходом лучей через компоненты; сложность обеспечения заданных характеристик системы в параксиальной области. Все это требует использования альтернативных методик и реализации дополнительных компьютерных средств.
Компьютерные средства для автоматизации параметрического синтеза из бесконечно-тонких компонентов
Вторая методика параметрического синтеза предложена Г.Г. Слюсаревым [10, 11] и основана на формировании системы из бесконечно тонких компонентов в воздухе, которые характеризуются аберрационными и силовыми параметрами. При использовании этой методики выбирается количество элементов, определяется их назначение и свойства, а затем виртуальные элементы заменяются физически реализуемыми (линзами и др.) Для автоматизации методики Г.Г. Слюсарева в конструкционной модели должна быть реализована возможность использования виртуальных элементов. Конструкционная модель оптической системы, построенная на понятиях «узел» и «направляющая» [12], позволяет это сделать.
Технология объектно-ориентированного программирования позволяет моделировать элементы, параметры и внутренняя структура которых заранее не известны. Если применить наследование от базового объекта «узел», то можно описать следующие виртуальные элементы (рис. 4): идеальную тонкую линзу (ThinLens), параметром которой является оптическая сила; параксиальный элемент (ABCD), параметрами которого являются элементы матрицы Гаусса; сопрягающий элемент (Conjugate), параметрами которого являются сопряженные лучи. Этого набора элементов достаточно для осуществления параметрического синтеза из бесконечно тонких компонентов.
Рис. 4. Использование наследования для реализации виртуальных элементов
При всех достоинствах простоты и универсальности методике Г.Г. Слюсарева присущи и известные недостатки. Синтез систем осуществляется лишь в зейделевой области аберраций. Структура тонких компонентов не может быть выбрана произвольно, так как отсутствуют универсальные способы перехода от тонких компонентов к физически реализуемым элементам. Таким образом, при проектировании оптических систем необходимо иметь средства для реализации альтернативных методик синтеза.
Заключение
В процессе выполнения работы рассмотрены варианты использования технологий систем управления базами данных для хранения конструктивных параметров оптических систем и поиска решений в процессе синтеза, а также варианты использования технологий экспертных систем для реализации параметрического синтеза. В результате проведенной работы модифицирована конструкционная модель оптической системы как объекта синтеза. Разработаны средства для реализации процедур синтеза оптических систем, алгоритмы для определения значения вычисляемых параметров, алгоритмы расчета нулевых и реальных лучей через виртуальные оптические элементы. В настоящее время ведется компьютерная реализация разработанных методов для включения в систему автоматизированного проектирования оптических систем ОПАЛ.
Работа выполнена в рамках НИР «Исследование и разработка новых методов компьютерного синтеза оптических систем различного назначения» по заданию министерства образования и науки Российской Федерации.
Литература
1. Запрягаева Л. А., Свешникова И.С. Расчет и проектирование оптических систем. М: Логос, 2000.
2. Родионов С. А. Автоматизация проектирования оптических систем. Л.: Машиностроение, 1982.
3. Родионов С. А., Шехонин А. А. Методология проектирования оптических приборов. Учебное пособие. / Под ред. проф. М.И. Потеева. СПб.: СПбИТМО 1996.
4. Русинов М.М. Композиция оптических систем. Л.: Машиностроение, 1989.
5. Иванов А.В. Разработка методов автоматизированного синтеза оптических систем: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Л.: ЛИТМО, 1989.
6. Джексон П. Введение в экспертные системы. М.: Издательский дом «Вильямс»,
2001.
7. S. Banerjee, L.N. Hazra. Structural design of doublet lenses with prespecified aberration target. // Opt.Eng. 1997. V 36. №11.
8. Порев В.А., Чиж И.Г., Сокуренко О.М., Сокуренко В.М. Методика расчета оптических систем в области аберраций третьего порядка. // Оптический журнал. 1999. Т. 66. №10.
9. Русинов М. М. Техническая оптика. Л.: Машиностроение, 1979.
10. Слюсарев Г.Г. Методы расчета оптических систем. Л.: Машиностроение, 1969.
11. Слюсарев Г.Г. Расчет оптических систем. Л.: Машиностроение, 1975.
12. Domnenko V., Ivanova T., Gantvorg M. New object-oriented model of an arbitrary optical system. // Proc. SPIE 2003. V. 5249. Р. 608-615.
