I. Основные этапы и направления развития проектирования оптических систем
Лекция № 1 «Роль теории аберраций при создании ОЭС»
Введение.
Мы начинаем курс «Основы оптики», в котором будет рассматриваться важнейший раздел Прикладной оптики – Теория аберраций оптических систем.
Аберрации – это погрешности изображений, образуемых оптическими системами. Проявляются они в том, что оптические изображения точек не вполне отчетливы, представляют собой размытые точки.
На первой лекции мы рассмотрим роль теории аберраций в той специализации, которую вы получаете в университете (прикладная оптика, оптико-электронные системы и приборы, лазерная техника), чтобы осознанно понимать ее роль в вашей будущей работе.
Вы должны стать специалистами в области разработки, изготовления и использования оптико-электронных систем и аппаратуры. А где используется эта аппаратура. Да везде. Ведь она обеспечивает обеспечение «зрением» большинство создаваемой промышленностью аппаратуры, особенно при производстве специальной техники.
А через зрение, человек, живые существа, робототехнические средства получают более 80% информации об окружающем мире. Я проработал большую часть своей жизни в оптической промышленности и поэтому очень хорошо понимаю роль ОЭА. Вкратце вам расскажу.
Комическая аппаратура.
Любой искусственный спутник имеет в своем составе сложнейшие оптические системы наблюдения из космоса.
Комплексы контроля космического пространства обеспечивают информацией о всех появляющихся искусственных телах в космосе и обеспечивают предупреждение от внезапного нападения.
|
|
|
Военно-Воздушные силы.
Обзорно-прицельные системы, …
Сухопутные Войска
БТТ, стрелковое оружие, …
Военно-Морской Флот
Надводный и подводный флот
Технический уровень разрабатываемых оптикоэлектронных (ОЭ) изделий прежде всего определяется качеством используемых оптических систем (ОС), оптические параметры которых определяют тактико-технические характеристики изделий. Это обстоятельство определяет важнейшую роль оптиков-разработчиков в процессе создания новых ОЭ изделий. Требования к проектируемым ОС зачастую приближаются к предельно достижимым по качеству изображения при повышенных значениях относительного отверстия (светосилы) и углового поля зрения и при использовании минимально возможного числа оптических элементов и уменьшенных весогабаритных характеристик.
Трудоемкость разработки сложных ОС заключается в том, что до настоящего времени расчет ОС во многом остается «искусством», зависящим от опыта и интуиции разработчика, а не точной инженерной дисциплиной, строго и однозначно алгоритмизирующей процесс проектирования. Поэтому требуются высококвалифицированные специалисты с достаточно большим опытом работы в области проектирования новых ОС, а разработка сложных ОС требует иногда многих месяцев напряженной работы.
|
|
|
Развиваемые на ведущих оптических фирмах методы расчета ОС с помощью ЭВМ основаны в основном на численных методах поиска экстремума оценочной функции без детального учета физических закономерностей образования изображения, анализа аберрационных свойств отдельных оптических элементов. Указанное обстоятельство не обеспечивает эффективной формализации проблемы разработки новых оптических схем и построения предварительного решения (этап синтеза).
В большинстве программных комплексов проектирования ОС отсутствуют методы синтеза исходной ОС, при помощи которых на основе требований технического задания производится вычисление конструктивных параметров ОС, пригодной для дальнейшей оптимизации. При этом предполагается, что такая исходная ОС уже существует или разработчик каким-либо способом создает ее самостоятельно.
С другой стороны, существующие программы оптимизации обладают значительной локальной ограниченностью, обусловленной многоэкстремальностью минимизируемой оценочной функции,) и в большинстве случаев оптимизация не приводит к приемлемому решению, а только лишь к нахождению ближайшего локального экстремума. Это существенно снижает эффективность использования программ оптимизации [1-2].
|
|
|
Почему сложилось такое положение вещей?
Проектирование (расчет) оптических систем заключается в нахождении конструктивных элементов такой оптической системы, которая, обладая заданными внешними характеристиками (фокусное расстояние, поле зрения, апертура, габариты и т.п.) и, будучи конструктивно целесообразной, обеспечивает получение требуемого по качеству изображения некоторого объекта. Как было показано Максвеллом [1,60-62], в общем случае не существует идеальных оптических систем, дающих стигматическое изображение некоторого объекта и, следовательно, оптический прибор дает в какой-то мере размытое изображение точек, то есть обладает неустранимыми аберрациями. Причем величина аберраций зависит как от внешних характеристик оптической системы, так и от внутреннего строения и сложности самой системы (число поверхностей и их расположение, наличие асферических поверхностей, используемые марки стекла и т.п.). Поэтому, расчет оптической системы заключается в нахождении оптимального компромисса между внешними характеристиками системы, ее сложностью и реализуемостью в производстве с одной стороны и величиной допустимых остаточных аберраций с другой стороны, определяющих качество изображения. Отсюда можно сформулировать следующий вывод: при расчете оптической системы не существует единственного решения, а сам расчет заключается в нахождении все более подходящих компромиссных решений.
|
|
|
С другой стороны, природа аберраций такова, что не существует практически полезной явной аналитической зависимости реальных аберраций от конструктивных параметров системы, а само вычисление аберраций представляет собой длительный и трудоемкий процесс расчета хода луча.
Разработанные до появления вычислительной техники аналитические методы, основанные на приближениях классической теории аберраций [2-3, 63-66], приводили к значительным упрощениям в вычислениях, к появлению «ручных» методик построения оптических систем и изучения их потенциальных возможностей. Однако, объем вычислений все равно оставался значительным, существующие методики давали возможность строить практически только простые оптические системы, которые в дальнейшем требовали еще коррекции реальных аберраций.
Указанные обстоятельства обусловили численную природу процесса проектирования оптических систем, а однотипность проводимых расчетов – необходимость и непосредственную подготовленность отдельных этапов процесса проектирования к механизации вычислений. Поэтому, появление ЭВМ сразу же привело к широкой автоматизации оптических расчетов, к качественно новому подходу при проектировании и ознаменовало собой начало нового этапа в развитии вычислительной оптики. Значительно уменьшилась доля ручных вычислений и появилась возможность более объективно оценивать качество оптических систем и освободить время оптика-расчетчика для проведения более глубокого исследования различных схемных решений, их возможностей и т.п.
Однако, как ни печально, это привело и к отрицательным последствиям.
Повышение быстродействия ЭВМ, развитие математических методов оптимизации и теоретических основ оценки качества изображения привели в 60-х годах к широкому внедрению программ автоматизированной коррекции аберраций (программ оптимизации) и программ расчета характеристик качества оптических систем (оптические передаточные функции, распределение освещенности в изображении точки и т.п.). Началась пора широкой автоматизации именно окончательных этапов расчета. Начальные же этапы построения схемы, изучения ее возможностей с использованием теории аберраций за исключением небольшого ряда случаев почти не алгоритмизировались и им уделялось достаточно мало внимания. Появились даже предложения в публикациях, что достаточно сформировать оптическую систему, состоящую из плоскопараллельных пластинок, а далее программы оптимизации приведут к построению наиболее оптимальной схемы для реализации соответствующего ТЗ на разработку оптической схемы.
В практику расчетов широко внедрился вместо этапа синтеза этап выбора из архива готовой оптической системы с близкими к требуемым характеристикам и ее улучшение по программам автоматизированной коррекции.
Однако такой подход целесообразен, когда имеется прототип, обладающий как близкими к заданным характеристикам, так и простой и технологической конструкцией, обладающей достаточными, но не завышенными коррекционными возможностями. Проведение же такого анализа является часто само по себе достаточно сложной отдельной задачей, заключающейся в изучении коррекционных возможностей различных типов схем и выбора наиболее целесообразной из них для удовлетворения требованиям технического задания. В общем случае, задача изучения коррекционных возможностей и предельных свойств различных типов схем и областей их наиболее целесообразного применения является одной из важнейших в вычислительной оптике [29] и требует проведения необычайно сложной и длительной работы. Опыт использования существующих программ автоматизированной коррекции показывает, что получаемое с их помощью решение в значительной степени зависит от выбранной оптиком исходной оптической системы [25, 29, 35, 195-197], (локальная ограниченная программа, обусловленная многоэкстремальностью минимизируемой оценочной функции). В результате этого разработчик вынужден многократно использовать программы автоматизированной коррекции, каждый раз видоизменяя (в большинстве случаев вручную) исходное задание.
Это делает указанные программы эффективными только на последних стадиях проектирования, когда уже построено хорошее предварительное решение. Под хорошим предварительным решением будем понимать такую оптическую систему, которая программой оптимизации приводится к системе, удовлетворяющей поставленным требованиям, являясь при этом конструктивно целесообразной. Следовательно, задачи построения хорошего предварительного решения (синтез) и расширение локальной ограниченности являются актуальными и требуют своего дальнейшего решения. И решение таких задач возможно только на использовании и дальнейшем развитии теории аберраций.
I. Основные этапы и направления развития проектирования оптических систем
1.1. Анализ процесса проектирования оптических систем.
Вопрос:
Дата добавления: 2021-11-30; просмотров: 44; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!