АВТОМАТИЗОВАНИЙ РОЗРАХУНОК ОПТИЧНОЇ СИСТЕМИ ПАНКРАТИЧНОГО ПРИЦІЛУ
DOI:
https://doi.org/10.20535/1970.63(1).2022.260634Ключові слова:
автоматизований розрахунок, панкратична оптична система, приціл, глобальна оптимізація, аберації, параметричний синтезАнотація
Запропоновано здійснювати автоматизований розрахунок багатолінзової оптичної системи панкратичного прицілу за допомогою одного із сучасних алгоритмів глобальної оптимізації, а саме адаптивного методу диференціяльної еволюції Коші. Оптична система, що розглядається, забезпечує видиме збільшення від 4× до 16× та кутове поле зору в просторі параметрів від 5,15° до 1,32°. Вона має діаметр вхідної зіниці 42 мм, віддалення вихідної зіниці в діапазоні 85...90 мм та максимальну довжину системи – 325 мм. Приціл містить 14 лінз в 9-ти компонентах, виготовлених зі скла каталогу CDGM. У всіх станах панкратичної оптичної системи віньєтування променів повністю відсутнє. Для досягнення високої якості зображення, параметричний синтез прицілу здійснювався одночасно для п’яти проміжних станів, що відповідають видимому збільшенню 16х, 13х, 10х, 7х і 4х. Завдяки розробленому спеціалізованому програмному забезпеченню виконано експериментальну перевірку дієздатності такого підходу на прикладі автоматизованого розрахунку оптичної системи, аналогічної за своїми параметрами до комерційно доступних зразків. Практичне моделювання показало, що інтервал часу, потрібний на проведення безпосереднього автоматизованого розрахунку оптичної системи прицілу, становить біля 25 годин. Водночас, загальна кількість пошукових параметрів досягала 90. Середньоквадратичні значення кутових аберацій вихідних осьових пучків у всіх (п’яти) станах синтезованої панкратичної системи не перевищують 1 кутову хвилину у всьому спектральному діапазоні. Результати проведених досліджень свідчать про те, що реалізований в комп’ютерній програмі алгоритм розрахунку можна вважати ефективним інструментом, який здатний здійснювати автоматизований параметричний синтез складних панкратичних оптичних систем, що мають високу якість зображення. Алгоритм дозволяє визначати конструктивні параметри оптичних систем з урахуванням технічних вимог та обмежень, заданих конструктором.
Посилання
W. J. Smith, Modern Lens Design, 2nd Edition. McGraw Hill Professional, 2004.
M. Laikin, Lens Design, 4th Edition. CRC Press, 2018.
A. Mann, Infrared optics and zoom lenses. Bellingham, Wash: SPIE Press, 2009.
J. L. Bentley, C. Olson, Field Guide to Lens Design. SPIE, 2012.
D. Dilworth, Lens Design: Automatic and Quasi-autonomous Computational Methods and Techniques. Institute of Physics Publishing, 2018.
S. C. Park and R. R. Shannon, “Zoom lens design using lens modules,” Opt. Eng. 35(6), 1668–1676, 1996. DOI: 10.1117/1.600742.
S. C. Park and S. H. Lee, “Zoom lens design for a 10x slim camera using successive procedures,” J. Opt. Soc. Korea, 17(6), 518–524, 2013. DOI: 10.3807/JOSK.2013.17.6.518.
K. Tanaka, “Paraxial analysis of mechanically compensated zoom lenses. 1: Four-component type,” Appl. Opt., 21(12), 2174–2183, 1982. DOI: 10.1364/AO.21.002174.
K. Tanaka, “Paraxial analysis of mechanically compensated zoom lenses. 2: Generalization of Yamaji type V,” Appl. Opt., 21(22), 4045–4053, 1982. DOI: 10.1364/AO.21.004045.
K. Tanaka, “Paraxial analysis of mechanically compensated zoom lenses. 3: Five-component type,” Appl. Opt., 22(4), 541–553, 1983. DOI: 10.1364/AO.22.000541.
Q. Hao, X. Cheng, and K. Du, “Four-group stabilized zoom lens design of two focal-length-variable elements,” Opt. Express, 21(6), 7758–7767, 2013. DOI: 10.1364/OE.21.007758.
A. Mikš and P. Novák, “Paraxial design of four-component zoom lens with fixed position of optical center composed of members with variable focal length,” Opt. Express, 26(20), 25611–25616, 2018. DOI: 10.1364/OE.26.025611.
A. Mikš and P. Novák, “Paraxial design of a four-component zoom lens with zero separation of principal planes and fixed position of an image focal point composed of members with constant focal length,” Appl. Opt., 58(15), 3957–3961, 2019. DOI: 10.1364/AO.58.003957
Jinkai Zhang, Xiaobo Chen, Juntong Xi, and Zhuoqi Wu, “Paraxial analysis of double-sided telecentric zoom lenses with three components,” Appl. Opt., 53, 4957-4967, 2014. DOI: 10.1364/AO.53.004957
Eiben A., Smith J. Introduction to Evolutionary Computing. Springer-Verlag: Berlin, 2003.
R. Haupt, S. Haupt, Practical Genetic Algorithms. Wiley-Interscience; 2 edition, 2004.
H. Gross, H. Zugge, M. Peschka, F. Blechinger. Handbook of Optical Systems: Vol. 3. Aberration Theory and Correction of Optical Systems; Edited by Herbert Gross. WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, 2007.
V. M. Sokurenko, V. S. Nedilyuk, “Numeric study of stochastic methods for continuous global optimization,” Research Bulletin of the National Technical University of Ukraine "Kyiv Polytechnic Institute", 2012, no 1, pp. 81-88 (in Ukrainian).
T. Yang, G. F. Jin, and J. Zhu, “Automated design of freeform imaging systems,” Light: Science and Applications, vol. 6(10), e17081, 2017. DOI: 10.1038/lsa.2017.81
B. F. C. Albuquerque, F. L. Sousa, and A. S. Montes, “Multi-objective approach for the automatic design of optical systems,” Opt. Express, 24(6), 6619–6643, 2016. DOI: 10.1364/OE.24.006619.
X. Chen and K. Yamamoto, “An experiment in genetic optimization in lens design,” J. Mod. Opt., 44(9), 1693–1702, 1997. DOI: 10.1080/09500349708230769
S. Pal and L. Hazra, “Structural design of mechanically compensated zoom lenses by evolutionary programming,” Opt. Eng., 51(6), 063001, 2012. DOI: 10.1117/1.OE.51.6.063001
S. Pal and L. Hazra, “Ab initio synthesis of linearly compensated zoom lenses by evolutionary programming,” Appl. Opt., 50(10), 1434–1441, 2011. DOI: 10.1364/AO.50.001434.
Z. Y. Tang, M. Sonntag, and H. Gross, “Ant colony optimization in lens design,” Appl. Opt., 58(23), 6357–6364, 2019. DOI: 10.1364/AO.58.006357.
Xiao Yu, Hanyu Wang, Yuan Yao, Songnian Tan, Yongsen Xu, and Yalin Ding, "Automatic design of a mid-wavelength infrared dual-conjugate zoom system based on particle swarm optimization," Opt. Express, 29, 14868-14882, 2021. DOI: 10.1364/OE.418584.
Chengxiang Fan, Bo Yang, Yunpeng Liu, Pengxiang Gu, Xingqi Wang, and Hui Zong, "Zoom lens with high zoom ratio design based on Gaussian bracket and particle swarm optimization," Appl. Opt., 60, 3217-3223, 2021. DOI: 10.1364/AO.418970.
Sun-Hyung Jo and Sung-Chan Park, "Design and analysis of an 8x four-group zoom system using focus tunable lenses," Opt. Express, 26, 13370-13382, 2018. DOI: 10.1364/OE.26.013370.
H. Qin, “Aberration correction of a single aspheric lens with particle swarm algorithm,” Opt. Commun., 285(13-14), 2996–3000, 2012. DOI: 10.1016/j.optcom.2012.02.083.
D. B. Guo, L. Yin, and G. Yuan, “New automatic optical design method based on combination of particle swarm optimization and least squares,” Opt. Express, 27(12), pp. 17027–17040, 2019.DOI: 10.1364/OE.27.017027.
P. Zhou, X. R. Ma, S. Zhang, Z. G. Liu, Z. Y. Meng, Z. J. Xiang, X. Y. Wang, T. X. Sun, X. Y. Lin, and Y. D. Li, “Application of particle swarm optimization in the design of a mono-capillary X-ray lens,” Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A 953, 163077, 2020. DOI: 10.1016/j.nima.2019.163077.
Z. C. Fan, S. L. Wei, Z. B. Zhu, Y. Mo, Y. Yan, and D. Ma, “Automatically retrieving an initial design of a double-sided telecentric zoom lens based on a particle swarm optimization,” Appl. Opt., 58(27), pp. 7379–7386, 2019. DOI: 10.1364/AO.58.007379.
Z. C. Fan, S. L. Wei, Z. B. Zhu, Y. M. Yan, Y. Mo, L. S. Yan, and D. L. Ma, “Globally optimal first-order design of zoom systems with fixed foci as well as high zoom ratio,” Opt. Express, 27(26), pp. 38180–38190, 2019. DOI: 10.1364/OE.381116
T. J. Choi, C. W. Ahn, J. An, “An adaptive Cauchy differential evolution algorithm for global numerical optimization,” The Scientific World Journal, vol. 2013, 2013. Art. ID 969734, 12 pages. DOI: 10.1155/2013/969734.
T. J. Choi, C. W. Ahn, “An adaptive Cauchy differential evolution algorithm with bias strategy adaptation mechanism for global numerical optimization,” Journal of Computers, vol. 9, no. 9, pp. 2139-2145, 2014. DOI: 10.4304/cp.9.9.2139-2145.
V. M. Sokurenko, Y. I. Makarenko, “Development of optical systems by global optimization methods,” Bull. Kyiv Polytech. Inst. Ser. Instrum. Mak., 2015, is. 50(2), pp. 51-60 (in Ukrainian).
V. M. Sokurenko, I. S. Builov, “Application of the adaptive Cauchy differential evolution method for designing lenses,” Bull. Kyiv Polytech. Inst. Ser. Instrum. Mak., 2016, is. 51(1), pp. 41-47 (in Ukrainian).
V. M. Sokurenko, O. E. Stikha, “Development of distortion corrected lenses,” Visnyk of Vinnytsia Polytechnical Institute, 2017, no 1, pp. 99-105 (in Ukrainian).
V. M. Sokurenko, D. P. Bondarchuk, “Automated parametric synthesis of a lens with reduced distortion,” Bull. Kyiv Polytech. Inst. Ser. Instrum. Mak., 2018, is. 56(2), pp. 18-24 (in Ukrainian).
V. M. Sokurenko, I. O. Smazhko, “Automated design of an optical system of the SWIR lens,” Bulletin of Khmelnytsky National University: Technical Sciences, Khmelnytsky, 2019, no 6 (279), pp. 202-205 (in Ukrainian). DOI: 10.31891/2307-5732-2019-279-6-202-205.
V. M. Sokurenko, O. V. Trostyanska, “Synthesis of an eyepiece optical system for a high-resolution microdisplay,” Bulletin of Khmelnytsky National University: Technical Sciences, Khmelnytsky, 2019, #6 (279), pp. 206-210 (in Ukrainian). DOI: 10.31891/2307-5732-2019-279-6-206-210.
V. M. Sokurenko, M. M. Valulenko, “Automated design of eyepieces with diffractive optical elements,” Bulletin of Khmelnytsky National University: Technical Sciences, Khmelnytsky, 2018, no 1 (257), pp. 107-112 (in Ukrainian).
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2022 CC BY 4.0
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Авторське право на публікацію залишається за авторами.
Автори можуть використовувати власні матеріали в інших публікаціях за умови посилання на збірник наукових праць "Вісник Київського політехнічного інституту. Серія ПРИЛАДОБУДУВАННЯ" як на перше місце видання та на Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» як на видавця.
Автори публікують свої статті в збірнику на умовах ліцензії Creative Commons:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії CC BY 4.0, яка дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на динаміці цитування опублікованої роботи.
Видавець (КПІ ім. Ігоря Сікорського) має право за будь-якого використання цього видання зазначати своє ім'я або вимагати такого зазначення.
Редакційна колегія залишає за собою право розміщувати опубліковані в збірнику статті в різних інформаційних базах для надання відкритого доступу до матеріалів з метою популяризації наукових досліджень та підвищення цитованості авторів.
