Семинар «International Optical Seminar OS-2013». Мини-отчёт.
В прошлом году Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики (НИУ ИТМО) в очередной раз провел Международный Оптический Семинар (International Optical Seminar OS-2013). Мероприятие проводилось с 25 по 28 ноября 2013 года.
Тематика семинара была сформулирована следующим образом: обсуждение современных тенденций развития и теоретических, прикладных и практических вопросов проектирования широкого класса оптических и оптико-информационных систем с использованием современного программного обеспечения. Однако думаю не ошибусь, если предположу, что большинство участников привлекла возможность принять участие в мастер-классе «Проектирование и расчёт оптических систем средствами программного обеспечения CODE V».
Программа CODE V (разрабатывается Synopsys Optical Solutions Group, ранее Optical Research Associates) ранее была недоступна для покупки в России. И лишь недавно, стало возможно официально приобрести версию у дистрибьютора – фирмы «Light Tec». Компания Synopsys Optical Solutions Group недавно анонсировала выход новой версии программы 10.6, в которой обещала представить новые возможности по оптимизации сложных оптических систем.
Программа мастер-класса предусматривала знакомство с программой, её основными возможностями по оптимизации простых систем. Это было достаточно познавательно, но не отвечало на главный вопрос: хотелось сравнить возможности данной программы с Zemax по оптимизации систем. В некоторых источниках сообщается о значительном преимуществе CODE V над Zemax, но примеры, на которых оно показано, на мой взгляд не всегда корректны. Поэтому для проверки возможностей оптимизации я подготовил собственный тестовый пример: систему сверхширокоугольного объектива (поле зрения 220 градусов). Подобные объективы являются сложным объектом для расчётов, а в этом варианте к тому же имеется ряд дополнительных ограничений, которые затрудняют получения требуемых характеристик. Данную систему я предварительно обсчитал в Zemax и получил некоторый вариант, частично удовлетворяющий требованиям. Исходя из этого, вопрос тестирования ставился следующим образом: удастся ли CODE V улучшить характеристики полученного варианта объектива.
Скажу сразу, из-за ограниченного времени семинара, несмотря на помощь Воронцова Дмитрия Николаевича (представитель фирмы «LIGHT TEC») и Романовой Галины Эдуардовны (доцент кафедры ПиКО НИУ ИТМО), ответить на данный вопрос не удалось. Для адекватности сравнения программ, оптимизация систем должна проводиться с одинаковой оценочной функцией. Оценочная функция рассматриваемой системы достаточно сложна и, как оказалось, включает в себя некоторые операнды, полных аналогов которых в CODE V найти не удалось. Пришлось конструировать пользовательские операнды, что потребовало значительного времени. Поэтому вопрос: какой из этих двух пакетов для расчёта оптических систем оптимизирует лучше – для меня остаётся открытым.
Программа семинара предусматривала ряд докладов российских и зарубежных оптиков. Авторы рассматривали как перспективные направления в оптике, так и текущее состояние разработок на предприятиях. Хочу отметить интересный для меня доклад представителя ООО «Лазерный центр» Юревича Владимира Игоревича, посвящённый специфике проектирования и расчёта оптических систем технологических лазеров. По окончании всех докладов для желающих была проведена экскурсия в ООО «Лазерный центр», во время которой были показаны некоторые конструкции, разработке которых был посвящён доклад.
Один из дней был посвящён основам работы в программе DIALux. Рассматривались требования к освещению, базовые возможности программы, участники выполнили расчёт освещения в некотором заданном помещении.
В рамках семинара проводилось соревнование по расчёту оптических систем. Требовалось рассчитать оптическую систему с минимальным количеством элементов со следующими характеристиками:
Фокусное расстояние f' = 500 мм.
Угловое поле 2w = 1 градус.
Спектральный диапазон 8-10 мкм.
Требования по качеству и ограничения на систему:
Входной зрачок объектива на первом элементе.
Выходной зрачок – на охлаждаемой диафрагме приёмника (диафрагма диаметром 8 мм расположена на расстоянии 16 мм от светочувствительной площадки ФПУ).
Концентрация энергии в пятне диаметром 50 мкм не менее 60% по всему полю.
В случае зеркальной схемы центральное экранирование по диаметру не должно превышать 20%.
Допускается использование асферических поверхностей.
Критерии оценки работ: достижение требований, поставленных в задании; количество оптических элементов; технологичность выбранной оптической схемы; оригинальность достигнутых результатов.
Задача достаточно интересная, поэтому я решил принять участие в соревновании.
Необходимо отметить, что указанные в требованиях ограничения, на положения входного и выходного зрачков, приводят к разработке систем с минимальным диаметром первого элемента и требуют полного использования холодной апертуры приемника. При этом, условия, на мой взгляд, допускают двоякое толкование: разрешается применять асферические поверхности, но это сразу ухудшает технологичность варианта. Поэтому мною было принято решение рассмотреть два варианта: только со сферическими линзами, а также с использованием асферических элементов.
В результате был получен следующий вариант. Двухлинзовая система строит промежуточное изображение, которое переизображается на приёмник излучения.
В данной системе используется 4 линзы со сферическими поверхностями. Система удовлетворяет требованиям, поэтому функцию концентрации энергии приводить не буду.
Второй представляет собой двухлинзовую систему с тремя асферическими поверхностями.
Отличие этой системы – уменьшенная практически в 2 раза длина системы. Хотя в задании длина никак не оговаривалась, использование асферических поверхностей позволяет выполнять такого рода оптимизацию.
Когда я увидел требование фокусного расстояния в 500 мм, сразу подумал о разработке зеркально-линзовой системы, так как в этом случае можно получить небольшие продольные габариты.
При разработке зеркально-линзового варианта сразу было понятно, что вариант с 2-мя асферическими линзами не удастся превзойти по количеству элементов, но хотелось проверить вариант хотя бы с тремя элементами. Основной проблемой при оптимизации была необходимость получения достаточно низкого центрального экранирования – не более 20% по диаметру.
Показанный вариант формально удовлетворяет требованиям, но если перейти к реальному приёмнику, ситуация меняется – оправа приёмника начинает «зарезать» часть лучей. Если увеличить количество линз, ситуацию можно исправить. При увеличении допустимого центрального экранирования до 30%, вводить дополнительные элементы не требуется.
В итоге, первое место в данном соревновании разделили два проекта. В одном из них, участник разработал 2-х линзовую систему с асферическими поверхностями и уделил дополнительное внимание технологичности и устранению эффекта Нарцисса. Второй победитель разработал систему с большим количеством элементов, но методично правильно рассмотрел последовательность вариантов.
Кстати, в 2013 году организовывала семинар немного другая команда, поэтому не обошлось без небольших накладок. Но в целом впечатление положительное, надеюсь, что подобные семинары будут проводиться и дальше.
09 января 2014 года.
Андрей Правдивцев,
группа «Конструктивная Кибернетика».
Обсуждение: contact@rdcn.ru
Ключевые слова: International Optical Seminar OS-2013, доклады, впечатления, резюме.
