Общие сведения о пакетах прикладных программ в оптотехнике

1. Лекция 1. Общие сведения о пакетах прикладных программ в оптотехнике

2. 1. Место специальных прикладных программ в проектировании оптических и оптико-электронных приборов

Жизненный цикл изделия - совокупность этапов
или последовательность процессов, через которые
проходит изделие за время своего
существования.
Жизненный цикл оптического/оптико-электронного прибора

3. 1. Место специальных прикладных программ в проектировании оптических и оптико-электронных приборов

Проектирование (от лат. projectus, буквально брошенный вперёд), процесс создания проекта прототипа, прообраза предполагаемого или
возможного объекта, состояния.
КД
технологическое
проектирование
схема
конструкторское
проектирование
ТЗ
функциональное
проектирование
КОНЦЕПТУАЛИЗАЦИЯ
ПРОЕКТИРОВАНИЕ
Ветви проектирования
ТД

4. 1. Место специальных прикладных программ в проектировании оптических и оптико-электронных приборов

оптическая ветвь проектирования
1. Место специальных прикладных
программ в проектировании оптических
и оптико-электронных приборов
Иерархия функционального проектирования
ФУ – функциональное устройство, ФУЗ – функциональный узел,
ФБ – функциональный блок, ФЭ – функциональный элемент

5. 1. Место специальных прикладных программ в проектировании оптических и оптико-электронных приборов

Объектами функционального проектирования являются схемы прибора.
К задачам функционального проектирования относится определение оптимальной
структуры и характеристик функциональных устройств, блоков, узлов и
элементов прибора.
Результатом функционального проектирования являются различного рода
схемы прибора и его составных частей: оптическая, электрическая,
кинематическая и т.д.
Уровни функционального проектирования:
Информационно-логический: оптико-электронный прибор рассматривается как
(ФУ), между которыми происходит обмен информацией в виде данных и команд.
измеряемого параметра объекта путем сравнения его с некоторым эталоном.
Определяется конкретная структура прибора, устанавливаются связи между ФУ и
требования к ним.
Системотехнический: проектирование отдельных ФУ. Для каждого ФУ
определяется оптимальный состав блоков и их параметры. Отдельные блоки
безотносительно к их внутреннему устройству рассматриваются как
преобразователи сигналов.
Схемотехнический: проектирование ФБ, в соответствии с техническими
заданиями, сформулированными на предыдущем уровне. Каждому блоку строго
соответствует своя ветвь в зависимости от физических принципов работы
(оптическая, электронная, механическая ). Определяются основные параметры
различных схем прибора, обеспечивающие его работу.
Элементный: определяется внутреннее устройство ФЭ, которые реализуют схемы,
рассмотренные на схемотехническом уровне. Решается задача подбора элементов
из числа стандартных, в некоторых случаях – проектирования уникальных
элементов.

6. 1. Место специальных прикладных программ в проектировании оптических и оптико-электронных приборов

Расчет оптической системы
Конструирование
Оптический выпуск (….РР05), схема оптики (….Л3)
Разработка
технологических
процессов
Изготовление
Проектирование
электронных блоков
Место расчета оптической системы в общем цикле разработки
оптико-электронного прибора

7. 2. Задачи специальных прикладных программ в оптотехнике

Ход проектирования
эвристические
частично
полностью
автоматизированные автоматизированные
Выбор принципиальной
схемы
Синтез компонентов
и узлов
Анализ и коррекция
аберраций
Оценка качества
изображения
Расчет влияния
погрешностей
Расчет допусков
Выпуск КТД
Этапы типового алгоритма расчета
оптической системы и степень их автоматизируемости

8. 3. История развития программ расчета оптических систем

1944: использование одной из первых
вычислительных машин Mark-1 для расчета
оптической системы
с 1950-х: появление первых программ,
автоматизирующих отельные операции
проектирования оптических систем и пакетов
прикладных программ
1959:разработка специализированной ЭВМ ЛИТМО1 на каф. Вычислительной техники ИТМО.
с 1965: проведение исследований в области
автоматизации проектирования оптических систем
группой М.М. Русинова
1965-1970: Разработка отдельных прикладных
программ для ЭВМ «Минск-2» и «Минск-22»

9. 3. История развития программ расчета оптических систем

с 1970: разработка первых САПР оптических систем для
ЭВМ серий «ЕС» и «БЭСМ»
1981: появление первых ПК
ок.1982: появление первых программ, использующих
непоследовательный способ задания оптической системы
(OpTICAD и др.)
1988:Разработка первой версии Code V, появление
универсальных форматов данных
1989: Разработка первой версии Zemax ( Ken Moore,
Univ. of Arizona)
1990-е: интегрирование САПР оптических систем с
другими средствами проектирования
ок. 1994: разработка WinDemos
1994-96: разработка последней версии OPAL (ИТМО)

10. 4. Классификация специальных прикладных программ в оптотехнике и обзор основных программных пакетов

Пакеты
прикладных
программ
в оптотехнике
Программы
проектирования
оптических
систем
Программы
проектирования
оптических
элементов
Программы
расчета
изображающих
систем
Программы
расчета
осветительных
систем
Программы
расчета
физической оптики
и лазерн. систем
Программы
расчета
волоконной
оптики
Программы
расчета
оптических
покрытий
БД
оптических
систем
Классификация прикладных программ в оптотехнике

11. 4. Классификация специальных прикладных программ в оптотехнике и обзор основных программных пакетов

Распространенность программ расчета
изображающих оптических систем

12. 4. Обзор основных программных пакетов для расчета изображающих систем

Zemax
Достоинства
Недостатки
+ низкая стоимость лицензии
+ широкая распространенность
+ возможность расчета как
изображающих, так и осветительных
систем
+возможности расчета дифракционной
оптики
- ограниченный функционал в режиме
непоследовательного задания системы
- алгоритмы оптимизации недостаточно
мощны

13. 4. Обзор основных программных пакетов для расчета изображающих систем

Возможности задания и расчета оптических систем
в Zemax:
- задание поверхностей более 50 различных типов
(преломляющих и отражательных, асферических,
дифракционных) в последовательном и
непоследовательном режимах,
- задание различных типов источников и приемников
излучения (в непоследовательном режиме),
- расчет zoom-объективов, спектральных приборов и
др. систем со множеством конфигураций,
- расчет афокальных систем,
- подгонка лучей,
- расчет до 12 спектральных составляющих и до 12
точек поля зрения одновременно.

14. 4. Обзор основных программных пакетов для расчета изображающих систем

Возможности анализа оптических систем в Zemax:
- отображение оптической системы в 2d и 3d,
-анализ геометрических и волновых аберраций и
оптического пути,
- анализ ОПФ и ФРТ в геометрическом и дифракционном
приближении,
- построение точечных диаграмм,
- анализ профиля поверхности и симуляция
интерферограмм,
- симуляция изображения,
- поляризационный анализ,
- учет температуры и давления,
- расчет распространения Гауссовых пучков и расчеты в
приближении физической оптики,
- экспорт данных в формате IGES,
- автоматическое формирование чертежей по стандарту ISO
и др.

15. 4. Обзор основных программных пакетов для расчета изображающих систем

Возможности оптимизации и настройки оптических
систем в Zemax:
- автоматическая оптимизация методом взвешенных
наименьших квадратов либо ортогонального
спуска,
- оптимизация материалов по модели либо
подстановкой,
- глобальный поиск,
- пересчет на пробные стекла,
- учет оптических покрытий,
- учет рассеяния света,
- автоматизированный расчет влияния параметров и
допусков,
- пользовательские режимы вывода данных,
- встроенный язык программирования ZPL
и др.

16. 4. Обзор основных программных пакетов для расчета изображающих систем

Code V
Достоинства
Недостатки
+ наиболее развиты средства
оптимизации
+ развитый встроенный язык
программирования
+возможность трансляции данных и
интеграции с другими пакетами
(например MatLab)
+ большая встроенная БД
-не очень удобный интерфейс с
минимумом графики
- отсутствие непоследовательного
режима задания системы

17. 4. Обзор основных программных пакетов для расчета изображающих систем

OSLO
Достоинства
Недостатки
+ простой экспорт данных в CAD/CAM
системы
+работа под Linux
-сравнительно малая
распространенность
- относительно слабые алгоритмы
оптимизации

18. 4. Обзор основных программных пакетов для расчета изображающих систем

Отечественные программные пакеты
WinDemos (ГОИ им. Вавилова) и OPAL (ИТМО)
Достоинства
Недостатки
+ учет отечественных каталогов и
стандартов
+наличие необходимых инструментов
синтеза и анализа
- относительно слабые алгоритмы
оптимизации
- неудобный интерфейс
- отсутствие сопряжения с другими
пакетами и возможностей расширения
функционала
- рассогласование в системах величин
с современными стандартами

19. 4. Обзор основных программных пакетов для расчета изображающих систем

Synopsys
Достоинства
Недостатки
+ высокая функциональность демоверсии
+интеллектуальная система ввода
данных
+ интуитивно понятное управление
- малая распространенность
- относительно слабые алгоритмы
оптимизации
- ограниченный функционал

20. 4. Обзор основных программных пакетов для расчета изображающих систем

Прочие программные пакеты для расчета
изображающих систем
ADOS(http://www.diginaut.com/shareware/ados/ ),
dbOptic (http://www.skyscientific.com ),
OpTaliX (http://www.optenso.de/ ),
WinLens (http://www.winlens.de/ )
ATMOS (http://www.atmos-software.it/ )
MODAS (http://www.myoptics.at/)
Aberrator (http://aberrator.astronomy.net/)
и др.

21. 4. Обзор основных программных пакетов для расчета осветительных систем

LightTools
- высокоточное моделирование оптомеханических систем,
- быстрая трассировка
- оптимизация освещенности
- моделирование сложных поверхностей и элементов
- передача данных с CAD/CAM системами
- фотометрический, колориметрический, поляризационный анализ,
анализ паразитной засветки, статистическая обработка данных
- расширяемость интерфейса и поддержка нескольких процессоров

22. 4. Обзор основных программных пакетов для расчета осветительных систем

FRED
-моделирование когерентного освещения,
-анализ оптомеханических систем,
-анализ паразитных засветок,
- расчет осветительных и неизображающих систем,
- оптимизация освещенности,
- проектирование биомедицинской оптики,
- встроенный язык программирования.

23. 4. Обзор основных программных пакетов для расчета осветительных систем

OptisWorks
- одновременное проектирование оптической и механической частей,
- моделирование свойств материалов,
- коллективная работа над проектом,
- анализ освещенности, колориметрический анализ,
- сопряжение с Simulation – моделирование оптических, электрических,
тепловых и др. процессов,
- передача данных с SolidWorks

24. 4. Обзор основных программных пакетов для расчета осветительных систем

TracePro
- анализ оптомеханических систем,
- моделирование различных источников излучения,
- анализ и оптимизация освещенности,
- автоматическое формирование выходных файлов отчетов

25. 4. Обзор основных программных пакетов для расчета осветительных систем

Прочие программные пакеты для расчета
осветительных систем
SPEOS (http://www.optis-world.com/) ,
ASAP (http://www.breault.com/software/ ) ,
Photopia, Lumen Micro(http://www.ltioptics.com/ )
и др.

26. 4. Обзор основных программных пакетов для моделирования физической оптики и лазерных систем

Virtual Lab
- моделирование микрооптики,
- моделирование дифракционной оптики,
- моделирование когерентного освещения и лазерных
резонаторов,
- моделирование систем с LED источниками,
- строгое моделирование распространения электромагнитных
волн через любые структуры,
- оптимизация и расчет допусков.

27. 4. Обзор основных программных пакетов для моделирования физической оптики и лазерных систем

Fresnel
- моделирование распространения электро-магнитной волны с
помощью БПФ,
- моделирование эффектов нелинейной оптики,
- моделирование Гауссовых пучков,
- моделирование импульсных режимов,
- библиотека источников и оптических компонентов.

28. 4. Обзор основных программных пакетов для моделирования физической оптики и лазерных систем

Прочие программные пакеты для моделирования
физической оптики и лазерных систем
DIFFRACT (http://www.mmresearch.com/diffract/ ),
GLAD (http://www.aor.com/ ),
LASCAD (http://www.las-cad.com/ ),
WinLase (http://www.winlase.com/ ).
и др.

29. 4. Обзор основных программных пакетов для проектирования интегральной и волоконной оптики

BeamPROP
(http://www.rsoftdesign.com/products/component_de
sign/BeamPROP ),
OlympIOs (http://www.c2v.nl/ ),
OptiBPM
(http://www.optiwave.com/2006/products/optibpm/),
OptiFiber(http://www.optiwave.com/2006/products/
optifiber/ ).
и др.

30. 4. Обзор основных программных пакетов для проектирования дифракционной и голограммной оптики

DECAD (http://diffractive.optics.free.fr/ ),
Holomaster
(http://www.okotech.com/software/holomaster/ ),
PCGrate (http://www.pcgrate.com/ ).
и др.

31. 4. Обзор основных программных пакетов для расчета оптических покрытий

TFCalc
- расчет многослойных тонкопленочных покрытий,
- моделирование распространения электромагнитных волн
через тонкие пленки,
- статистический анализ,
- оптимизация,
- расчет влияния параметров и допусков

32. 4. Обзор основных программных пакетов для расчета оптических покрытий

Essential Macleod
(http://www.thinfilmcenter.com/ ),
OptiLayer (http://www.optilayer.com ),
TFCalc (http://www.sspectra.com/ ),
FilmStar Design (http://www.ftgsoftware.com/ )
Film Wizard (http://www.sci-soft.com/ )
и др.

33. 4. Обзор основных баз данных оптических систем

LensVIEW (http://www.ods-inc.com/ ),
ZEBASE (http://www.zemax.com/zebase/ ),
Glass Manager
(http://www.winlens.de/en/glman_intro.html ),
GlassBank (http://glassbank.ifmo.ru )
а также библиотеки, встроенные в основные
программные пакеты.

34. Заключение

1. Использование специализированных компьютерных
программ значительно снижает затраты на
проектирование оптико-электронных приборов,
расширяет возможности проектирования и повышает
его качество.
2. Существует множество специализированных
программных пакетов, используемых при разработке
оптических оптико-электронных приборов и систем.
Они существенно различаются в зависимости от этапа
проектирования, специфики объекта, масштаба
производства и пр.
В дальнейшем в данном курсе будут рассматриваться
программы для проектирования изображающих
оптических систем.
3. Никакие, даже сами совершенные, программные
средства не могут заменить опыта и искусства
инженера.

35. Литература

1. Шехонин, А. А. Методология проектирования оптических
приборов: учеб.пособие
2. Geary J. Introduction to lens design with practical Zemax
examples
3. Zemax: руководство пользователя
4. Акмаров К.А., Глухов М.А., Максимов А.Г., Шипулин Е.А.,
Шишаков К.В. Расчёт оптических систем в программных
пакетах Zemax, Code V и OSLO.
5. Шишаков, К. В. Моделирование оптических элементов в
программе ZEMAX : практикум для учебных курсов
«Прикладная оптика» и «Оптические устройства в
радиотехнике».
6. Л.Г. Бебчук и др. Прикладная оптика (под. Ред. В.П.
Заказнова)
7. М.М. Русинов Композиция оптических систем
8. Слюсарев Г.Г. Методы расчета оптических систем
9. Л.А. Запрягаева, И.С. Свешникова Расчет и проектирование
оптических систем