Помощь в написании студенческих работ
Антистрессовый сервис

Разработка учебных моделей оптических систем на основе их структурного анализа и алгоритмов оптимизации

Диссертация: Разработка учебных моделей оптических систем на основе их структурного анализа и алгоритмов оптимизации
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Вторым шагом при разработке ОС является процесс параметрического синтеза — процесс определения и / или поиска параметров найденной ранее структурной схемы с учетом требований технического задания. Разработке системы параметрического синтеза посвящена третья глава работы. Результатом этих двух шагов является стартовая точка, лишь частично удовлетворяющая требованиям ТЗ. Для получения необходимой… Читать ещё >

Разработка учебных моделей оптических систем на основе их структурного анализа и алгоритмов оптимизации (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Содержание

  • Глава 1. Теория Русинова и экспертные системы структурного синтеза. Разработка формата учебной базы знаний по проектированию ОС
    • 1. 1. Элементная база структурного синтеза
    • 1. 2. Функциональные типы оптических элементов
      • 1. 2. 1. Типы оптических поверхностей и зоны их расположения
      • 1. 2. 2. Обозначение оптических элементов и структурных схем
    • 1. 3. Экспертные правила структурного синтеза
      • 1. 3. 1. Выбор базового элемента
      • 1. 3. 2. Выбор коррекционного элемента
      • 1. 3. 3. Выбор элемента для развития относительного отверстия
      • 1. 3. 4. Выбор элемента для развития углового поля
    • 1. 4. Алгоритм структурного синтеза
    • 1. 5. Онтологическая база знаний по проектированию ОС
  • Глава 2. Анализ ОС и методы поиска по различным критериям
    • 2. 1. Алгоритм трассировки нулевых лучей
    • 2. 2. Точность трассировки нулевых лучей
    • 2. 3. Автоматизированный алгоритм структурного анализа
    • 2. 4. Оценка качества структурного анализа
    • 2. 5. Методы поиска ОС
    • 2. 6. Результаты анализа патентов
  • Глава 3. Параметрический синтез оптической системы
    • 3. 1. Алгоритм трассировки реальных лучей
    • 3. 2. Точность трассировки реальных лучей
    • 3. 3. Алгоритм синтеза
    • 3. 4. Результаты тестирования алгоритма
  • Глава 4. Оптимизация учебных моделей ОС
    • 4. 1. Разработка алгоритма
    • 4. 2. Реализация алгоритма
  • Глава 5. Автоматическая генерация учебных моделей ОС как элемент управления учебным процессом
    • 5. 1. Разработка и реализация программы образовательного семинара «Основы проектирования оптических систем»
    • 5. 2. Система трехмерной визуализации учебных моделей ОС
    • 5. 3. Использование элементов учебных моделей в электронных документах
    • 5. 4. Использование модулей генерации моделей в учебном процессе

Целью работы является автоматическая генерация моделей оптических систем (ОС) на основе последовательного применения управляемого поиска структурной схемы стартовой точки, параметрического синтеза промежуточной ОС и ее оптимизации с использованием генетического алгоритма.

Современный уровень развития информационных технологий позволяет использовать более эффективные подходы в обучении, в том числе с использованием интерактивных моделей изучаемых объектов и даже их получением (генерированием). Модели, помимо пояснения изучаемых принципов, могут быть использованы для управления траекторией обучения. Данный подход особенно актуален в технических дисциплинах, где большинство правил поведения объектов и, соответственно, моделей строго формализовано. Для оптических и оптотехнических специальностей необходимо применение моделей для развития необходимых будущему специалисту компетенций практического проектирования. Генерация моделей оптических систем (ОС) состоит из трех этапов:

1. Поиск стартовой точки оптической системы в виде структурной схемыописания последовательности расположения и назначения элементов в ОС.

2. Параметрический синтез — расчет конструктивных характеристик каждого оптического элемента с последующей предоптимизацией.

3. Оптимизация модели.

В работе предложены подходы к автоматизации учебного процесса для подготовки студентов-оптиков с использованием методов анализа ОС, генерации моделей ОС и их оптимизации.

Работа является продолжением реализации теории композиции М. М. Русинова и её развития в работах И. Л. Лившиц [47, 48, 50, 51] применительно к параметрическому синтезу объективов с вынесенным зрачком. Потенциал данной теории и сегодня остается раскрытым не полностью, что подтверждается интересом к данной тематике со стороны международного сообщества. Основными задачами теории композиции ОС является классификация элементов в оптической системе и анализ их применимости в тех или иных случаях. Элементы оптической системы по своему назначению разделяются на базовые (В), коррекционные ©, светосильные (Б) и широкоугольные (W). Получение описания последовательности элементов для достижения конкретных оптических характеристик называется структурным синтезом и является первым этапом автоматизированного синтеза ОС. В последние годы механизм структурного синтеза был реализован. В данной работе предложены методы для двух последующих заключительных этапов автоматизированного синтеза ОС: параметрического синтеза и оптимизации с учетом структурной схемы ОС. Эти два этапа предложены применительно к генерации учебных моделей объективов с вынесенным зрачком.

Моделирование оптических систем является составной частью процесса обучения будущих расчетчиков и разработчиков ОС. Лишь на основе современных компьютерных моделей возможна реализация основных принципов автоматизации и управления проектированием ОС.

При разработке ОС (без поиска схожей системы в патентах) можно выделить дополнительные три шага, упомянутые в работах [47, 48, 50, 51]. Первый — это процесс структурного синтеза, то есть получения структурной схемы оптической системы на основании требований к оптическим характеристикам ОС (технического задания). Этот процесс автоматизирован не полностью, так как требует вмешательства со стороны эксперта. Во время этого шага необходим выбор одной из структурных схем оптиком-расчетчиком. Список структурных схем формируется с учетом экспертных правил, описывающих применимость оптического элемента для создания ОС.

Для структурного синтеза ОС в последние годы была разработана экспертная система, описанная в первой главе данной работы [47, 48].

В самом начале разработки получить структурную схему стартовой точки ОС возможно не только методом синтеза, но и в результате анализа уже готовых ОС и поиска среди них системы, удовлетворяющей требованиям ТЗ. Структурная схема найденной системы может быть использована для последующего параметрического синтеза и оптимизации. Описанию алгоритма анализа готовых ОС посвящена вторая глава.

Вторым шагом при разработке ОС является процесс параметрического синтеза — процесс определения и / или поиска параметров найденной ранее структурной схемы с учетом требований технического задания. Разработке системы параметрического синтеза посвящена третья глава работы. Результатом этих двух шагов является стартовая точка, лишь частично удовлетворяющая требованиям ТЗ. Для получения необходимой оптической системы используется третий шаг — оптимизация.

Оптимизация заключается в анализе оценочной функции в пространстве параметров оптимизируемой оптической системы. Определение математического представления функции оценки является задачей разработчика оптической системы. От реализации математического аппарата численного анализа выбранного разработчиком математического представления функции оценки и самой функции оценки зависит качество конечной оптической системы. Разработаны различные алгоритмы оптимизации. В четвертой главе представлена реализация генетического алгоритма оптимизации ОС.

В пятой главе описан разработанный и апробированный процесс управляемого обучения фокус-группы студентов направления «Фотоника и оптоинформатика» проектированию оптических систем с использованием разработанной базы знаний, автоматического анализа, параметрического синтеза и оптимизации ОС. Результаты этого семинара продемонстрировали продуктивность предложенных методических подходов, основанных на принципах автоматической генерации учебных моделей ОС, их трехмерном моделировании и оптимизационных алгоритмах, в том числе генетических.

Результаты работы апробированы в СПб ГУ ИТМО на группе студентов оптотехнической специальности. В качестве формы апробации был выбран интенсивный двухнедельный семинар, в результате которого каждый из студентов разработал оптическую систему среднего класса сложности, полностью удовлетворяющую требованиям выданного технического задания.

В таблице 6.1 представлены примеры курсовых работ студентов, прослушавших семинар.

Заключение

.

В настоящей работе показан один из путей решения задачи автоматической генерации учебных моделей оптических систем. Основой предложенного подхода являются:

• разработка структуры онтологической модели базы знаний, описывающей предметную область;

• применение алгоритмов анализа оптических систем на предмет классификации входящих в них оптических элементов и поверхностей;

• использование алгоритма параметрического синтеза стартовой точки на основании структурной системы, полученной в результате анализа;

• методы предоптимизации и оптимизации с использованием реализованного генетического алгоритма;

• применение объектно-ориентированных методов и открытых средств проектирования и разработки прикладного программного обеспечения. Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Разработана компьютерная база знаний, описывающая основные концепты проектирования оптических систем и их взаимосвязи.

2. Создан программный продукт, производящий анализ оптических систем, параметрический синтез стартовой точки и проводящий ее предоптимизацию и оптимизацию с использованием генетического алгоритма.

3. Предложена программа обучения для оптических и оптотехнических специальностей с использованием разработанного программного продукта.

4. Приведены примеры, подтверждающие целесообразность решения задачи автоматизированной генерации учебных моделей оптических систем предложенным методом.

Показать весь текст

Список литературы

  1. R. Е. Optical System Design 2nd ed, McGraw-Hill Professional, 2008, 559 pp.
  2. Smith W. J. Modern Optical Engineering. 3rd edition. McGraw-Hill Professional, 2007, 754 pp.
  3. Г., Трайбер X. Техническая оптика. Техносфера, 2006, 424 с.
  4. Laikin М. Lens Design. CRC Press, 2006, 504 pp.
  5. Д. В. Оптика. М., Физматлит, 2005, 792 с.
  6. Hartmann Romer Theoretical Optics An Introduction. Wiley-VCH, 2005, 361 pp.
  7. Naftaly Menn, Practical optics. Academic Press, 2004, 321 pp.
  8. Malacara D. Handbook of optical Design. CRC Press, 2004, 533 pp.
  9. Г. С. Оптика. Учебное пособие. 6-е изд. М., Физматлит, 2003, 848 с.
  10. С.М. Конструирование точных (оптических) приборов / Учебное пособие Ч. З С.Пб.: СПб ГИТМО (ТУ), 2002. — 78 с.
  11. Malacara D., Thompson В. J. Handbook of Optical Engineering. CRC Press, 2001, 978 pp.
  12. Hecht E. Optics. Addison Wesley, 2001, 680 pp.
  13. В. IT. Теория оптических приборов. СПб, СПб ГИТМО (ТУ), 2001,274 с.
  14. С. А. Основы оптики. Конспект лекций. СПб, СПб ГИТМО (ТУ), 2000, 167 с.
  15. Smith W. J. Practical optical system layout. McGraw-Hill Professional, 1997, 224 pp.
  16. Shannon R. The Art and Science of Optical Design. Cambridge University Press, 1997, 630 pp.
  17. Born M., Wolf E. Principles of Optics 6th edition. Cambridge University Press, 1997, 836 pp.
  18. Mouroulis P., McDonald J. Geometrical Optics and Optical Design. Oxford University Press, 1996, 354 pp.
  19. Optical Society of America. Handbook of optics. McGraw-Hill Professional, 1994, 1664 pp.
  20. Smith W. J. Modern Lens Design: A Resource Manual. McGraw-Hill Professional, 1992, 471 pp.
  21. Guenther Robert D. Modern optics. Wiley, 1990, 720 pp.
  22. В. И. Оптика. М. Высшая школа. 1986, 512 с.
  23. Kingslake R. Optical system design. Academic Press, 1983, 323 pp.
  24. M. M. Техническая оптика. JI.: Машиностроение (Ленинградское отделение), 1979. 448 с.
  25. Г. Г. Методы расчета оптических систем. Л., «Машиностроение» (Ленингр. отд-ние), 1975.
  26. .Н., Заказнов Н. П. Теория оптических систем. Машиностроение, 1973, 488 с.
  27. Synopsys, О SD Inc., 2007, 210 pp.
  28. EF LENS WORK III The Eyes of EOS, Canon Inc., 2006, 233 pp.
  29. Geary J. M. Introduction to lens design: with practical ZEMAX examples. Willmann-Bell, 2002, 463 pp.
  30. ZEMAX: User guide. Focus Software Inc., 2002, 165 pp.
  31. William H. Press, Saul A. Teukolsky, William T. Vetterling, Brian P. Flannery. Numerical Recipes 3rd Edition: The Art of Scientific Computing, 3rd ed, Cambridge University Press, 2007, 1256 pp.
  32. E. А. Компьютерная геометрия и алгоритмы машинной графики. БХВ-Петербург, 2005, 560 с.
  33. В. Г. Математическое программирование: Учебное пособие. М&bdquo- ФИЗМАТЛИТ, 2004, 264 с.
  34. Shirley P., Morley R. K. Realistic Ray Tracing. А К Peters, Ltd., 2003, 225 pp.
  35. А.А., Шалыто А. А. Совместное использование теории построения компиляторов и S Wl Т СН-техн о л оги и (на примере построения калькулятора). Проектная документация. СПб, 2003.
  36. J. М., Banerjee P. P. Computational Methods for Electromagnetic and Optical Systems. CRC Press, 2000, 444 pp.
  37. С.А. Автоматизация проектирования оптических систем. Л. Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1982, 270 с.
  38. А., Берч Дж. М. Введение в матричную оптику. М. Мир 1978. 341 с.
  39. Г. Г. Расчет оптических систем. Л., «Машиностроение» (Ленингр. отд-ние), 1975, 639 с.
  40. Paul R. Yoder. Opto-Mechanical Systems Design. CRC Press, 2006, 835 pp.
  41. Piprek J. Optoelectronic Devices: Advanced Simulation and Analysis. Springer, 2005, 452 pp.
  42. Kasap S., Ruda H., Boucher Y., An Illustrated Dictionary of Optoelectronics and Photonics: Important Terms and Effects. Cambridge University Press, 2002, 169 pp.
  43. Ю. Г. Проектирование оптико-электронных приборов. Логос, 2000, 488 с.
  44. Philip С. D. Hobbs Building Electro-Optical Systems. Wiley-Interscience, 2000, 668 pp.
  45. Waynant R., Ediger M. Electro-optics handbook. McGraw-Hill Professional, 2000, 992 pp.
  46. Т.А., Муромцев Д. И. Интеллектуальные технологии в менеджменте. СПб: Изд-во ВШМ СПбГУ, 2007, 488 с.
  47. Livshits I., Salnikov A. CAD based on developed algorithm and expert rules in proposed in automate lens. In Proc: 4th International Conference on
  48. Optics-Photonics Design & Fabrication, ODF'04, Makuhari, Chiba, Japan, July 2004, 55−57 pp.
  49. Anitropova I. L. Formalizing the heuristic synthesis procedure in lens design. In OSA Proc. Of the International Optical Design Conference, Rochester, USA, June 1994.
  50. В. А. Оптические наблюдательные приборы, их устройство, выбор и эксплуатация. СПб., Политехника. 1991, 80 с.
  51. Анитропова И. JL, Голованевский Г. Л. Система эвристического синтеза оптических схем. М. Препринт ИПМ АН СССР, 1990. 31 с.
  52. И. JI., Пряничников В. Е. Проектирование базовых оптических модулей. М. Препринт ИПМ АН СССР, 1987. 43с
  53. Marvin J. Weber Handbook of Optical Materials. CRC Press, 2003, 512 pp.
  54. Simmons J. H., Potter K. S. Optical materials. Academic Press, 2000, 391 pp.
  55. Цветное оптическое стекло и особые стекла, каталог под ред. Петровского Г. Т. М, Дом оптики, 1990, 50 с.
  56. MalacaraD. Optical Shop testing. Wiley-Interscience, 2007, 888 pp.
  57. Yoder P. R. Jr. Mounting optics in optical instruments. SPIE Publications, 2002, 589 pp.
  58. Справочник технолога-оптика. Под ред. С. М. Кузнецова, Л., Машиностроение, 1983, 414 с.
  59. Справочник конструктора оптико-механических приборовю 3-е изд., перераб. и доп. под ред. В. А. Панова, Л., Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1980. 742 е.
  60. Yi-Chin Fang, Bo-Wen Wu, Tung-Kuan Liu, Eliminating lateral color aberration of a high-resolution digital projection lens using a novel genetic algorithm, SPIE Optical Engineering July 2007/Vol. 46(7)
  61. Sameer H. Al-Sakran, John R. Koza, Lee W. Jones, Automated Re-invention of a Previously Patented Optical Lens System Using Genetic Programming, M. Keijzer et al. (Eds.): EuroGP 2005, LNCS 3447, pp. 25−37, 2005.
  62. Isao Ono, Shigenobu Kobayashi, Koji Yoshida, Global and Multi-objective Optimization for Lens Design by Real-coded Genetic Algorithms, SPIE Vol. 3482, 0277−786X/98
  63. Beaulieu Julie, Gagne Christian, and Marc Parizeau, Lens System Design and Re-Engineering with Evolutionary Algorithms, Beaulieu & al., Proc. of GECCO 2002, July 9−13, New York
  64. Saswatee Banerjee, Lakshminarayan Hazra, Experiments with a genetic algorithm for structural design of cemented doublets with prespecified aberration targets, December 2001, Vol. 40, No. 34, APPLIED OPTICS
  65. Gerald C. Hoist Electro Optical Imaging System Performance 2nd ed. SPIE-International Society for Optical Engine, 2000, 438 pp.
  66. Welford W. T. Abberation of optical system. Taylor & Francis, 1986, 284 pp.
  67. M. H. Допуски и качество оптического изображения Л., Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1989, 221 с.
  68. В.А. Оптические измерения. М., Высшая школа., 1981, 231с.
  69. Г. В., Лазарева Н. Л., Пуряев Д. Т. Оптические измерения. М., Машиностроение. 1978, 198 с.
  70. М., Марешаль А. Структура оптического изображения. М. Мир 1964, 295 с.
  71. M. А. Алгоритм поиска толщин линз для объективов с вынесенным зрачком на этапе выбора стартовой точки // Научнотехнический вестник СПб ГУ ИТМО, 2008, № 47, с. 184−187-
  72. И. Г., Лившиц И. Л., Пашковский М. А., Сергеев М. Б., Унчун Чо. Характеристики программного обеспечения для проектирования дифракционно-ограниченых оптико-электронных систем // Информационно-управляющие системы, СПб, 2008, № 3, с. 1922.
  73. M. А. Трехмерная визуализация оптических систем // Научно-технический вестник СПб ГУ ИТМО, 2007, № 41, с. 21−23-
  74. М. А., Стафеев С. К. Система виртуальных практических работ по физике // Материалы XIII Всероссийской научно-методической конференции «ТЕЛЕМАТИКА'2006», СПб, 2006, Т., с. 50−52-
  75. К. К. Optics: Principles and Applications. Academic Press, 2006, 656 pp.
  76. M. А., Стафеев С. К. Использование системы трехмерных интерактивных практических работ по физике // Компьютерные инструменты в образовании, 2005, № 6, с. 45−47-
  77. Sharma G. Digital Color Imaging Handbook. CRC Press, 2003, 797 pp.
  78. Welford W. T. Useful optics. University Of Chicago Press, 1991, 150 pp.
  79. M. Цвет и свет в природе. М., Наука, 1969, 344 с.
Заполнить форму текущей работой

Сессия? Спокойно!