Удк 535.317 анализ проблем формирования компьютерной элементной базы композиции оптических систем

На правах рукописи

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

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 И.Л. Лившиц Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор И.А. Коняхин 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 расчёте 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 САРО, 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 И.Л., 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 её развития в работах И.Л. Лившиц применительно к особосветосильным и широкоугольным объективам.

2. Иерархическая классификация оптических систем, лежащая в основе предложенного 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 расчёта 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.

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 её параметров предлагается осуществлять, используя элементы с известными оптическими свойствами (не вносящие определённых видов аберраций), руководствуясь общей формулой синтеза и набором экспертных правил.

Настоящая работа посвящена формализации указанных подходов и их объединению в рамках единого программного продукта. Перейдём 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 37 = 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 до 14. Системы с индексом сложности от 0 до 7 охарактеризованы как относительно простые, свыше 7 - относительно сложные.

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: B - базовые или силовые элементы, K – коррекционные элементы, C - светосильные элементы, S широкоугольные элементы.

Рис. 2. Функциональный порядок расположения элементов.

В работах Русинова М.М. 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 типы поверхностей:

1. P - поверхность, концентричная центру входного зрачка ОС, 2. A - апланатическая поверхность, предмет и изображение находятся в апланатических точках, 3. F - поверхность, концентричная точке фокуса, 4. I - поверхность, расположенная в близфокальной зоне, 5. О - плоская поверхность.

Оптические элементы образуются совокупностью как минимум двух из указанных поверхностей.

Рис 3. Зоны расположения оптических 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, - 3я зона – близфокальная зона.

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 её расположения в оптической системе. В настоящей работе осуществлён переход к числовому обозначению зон.

В работах М. М. Русинова и И.Л. 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.

Проведённый 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.

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 лёг 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 распределёнными 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 B», 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 определённом 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-партнёрам (рис. 5).

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 1.4, система управления базами данных MySQL версии 5.0, HTTP-сервер Apache версии 2.0.

Глава 5. Применение программного продукта В данной главе рассматривается применение разработанного тестового программного продукта на ряде примеров типичных технических заданий 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 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).

Рис. 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. Русинова. 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- 3. 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.

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 И.Л., 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.