Научно-технический
«ОПТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ»
издается с 1931 года
 
   
Русский вариант сайта Английский вариант сайта
   
       
   
       
Статьи последнего выпуска

Электронные версии
выпусков начиная с 2008


Алфавитный указатель
2000-2010 гг


444
Архив оглавлений
выпусков 2002-2007 гг


Реквизиты и адреса

Вниманию авторов и рецензентов!
- Порядок публикации
- Порядок рецензирования статей
- Типовой договор
- Правила оформления
- Получение авторского вознаграждения
- Редакционная этика


Контакты

Подписка

Карта сайта




Журнал с 01.12.2015 допущен ВАК для публикации основных результатов диссертаций как издание, входящее в международные реферативные базы систем цитирования (Web Science, Scopus) (см. Vak.ed.gov.ru Перечень журналов МБД 16.03.2018г)

Аннотации (02.2022) : Синтез оптических поверхностей свободной формы с использованием нейронных сетей

Синтез оптических поверхностей свободной формы с использованием нейронных сетей

DOI: 10.17586/1023-5086-2022-89-02-36-42

УДК 681.786

 

Яна Вадимовна Мазур, Анна Олеговна Вознесенская

Университет ИТМО, Санкт-Петербург, Россия

ianamazur@itmo.ru   Scopus ID 57192818811;   http: orcid.org/0000-0001-7089-9099

voznesenskaya@itmo.ru  Scopus ID 13607845500;   http: orcid. org/0000-0002-4074-4341

адрес для переписки: Мазур Яна Вадимовна ianamazur@itmo.ru

Аннотация

Предмет исследования. Развитые методы синтеза осветительной оптики свободной формы (методы эллипсоидов, Монжа-Ампера, «String», «Flow line» и др.) не содержат корректного описания преобразования входного и выходного волновых фронтов, определяемого функцией волновой аберрации, не учитывают критерии качества изображения и не подходят для расчёта изображающих систем. В то же время, наиболее распространённые методы синтеза элементов свободной формы для изображающих систем (методы SMS — Simultaneous Multiple Surface, Ray-mapping) не являются универсальными, поскольку предназначены для реализации определённой конфигурации системы и требуют, по крайней мере, модификации для решения конкретной задачи. На этапах синтеза систем изображающей оптики наибольшая сложность заключается в определении первоначальной схемы системы. Получение метода синтеза оптических систем, не требующего наличия «стартовой точки» является крайне актуальной задачей прикладной оптики. В настоящей статье представлен метод, позволяющий с использованием искусственной нейронной сети выполнять синтез оптических поверхностей свободной формы для изображающих систем. Метод. Нейронная сеть построена на радиально-базисных функциях и для генерации координат искомой оптической поверхности при обратной трассировке лучей использует методику геометрического отображения. Обучение нейронной сети выполнено для различного количества оптических систем, сгенерированных автоматически, с варьированием конструктивных параметров, положений предмета и изображения. Основные результаты. Показано, что метод работает эффективно при использовании более 17 000 обучающих систем при размерности выборки лучей М = 4096. Рассчитанная с помощью метода модель плоско-гиперболической линзы обладает волновой аберрацией W < 5ґ10–2 длин волн, находящейся в пределах дифракционного допуска. Практическая значимость. Разработанный метод может использоваться при проектировании высококачественных изображающих систем.

Ключевые слова: оптические поверхности свободной формы, синтез оптических систем, расчёт оптических систем, геометрическое отображение лучей, нейронные сети, машинное обучение

Ссылка для цитирования: Мазур Я.В., Вознесенская А.О. Синтез оптических поверхностей свободной формы с использованием нейронных сетей // Оптический журнал. 2022. Т. 89. № 2. С. 36–42. DOI: 10.17586/1023-5086-2022-89-02-36-42

Код OCIS: 330.4060.

 

Список источников 

1.    Anees A. System engineering of complex optical systems: requirements and verification documents // Proc. SPIE. Optomechanical Engineering. 2019. V. 11100. P. 10. https://doi.org/10.1117/12.2533817.

2.   Fang F., Zhang N., Zhang X. Precision injection molding of freeform optics // Advanced Optical Technologies. 2016. V. 5. I. 4. P. 303–324. https://doi.org/10.1515/aot-2016-0033.

3.   Patterson S.R., Magrab E.B. Design and testing of a fast tool servo for diamond turning // Precis. Eng. 1985. V. 7. P. 123–128. https://doi.org/10.1016/0141-6359(85)90030-3.

4.   Zhu L., Li Z., Fang F., Huang S. et al. Review on fast tool servo machining of optical freeform surfaces // Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2018. V. 95. P. 2071–2092. https://doi.org/10.1007/s00170-017-1271-4.

5.   Yang J., Altintas Y. Generalized kinematics of five-axis serial machines with non-singular tool path generation // Int. J. Mach. Tools Manuf. 2013. V. 75. P. 119–132. https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2013.09.002.

6.   Bao G., Cowsar L. Masters W. Mathematical modeling in optical science // Society for Industrial and Applied Mathematics Philadelphia. 2001. P. 349. https://doi.org/10.1137/1.9780898717594.

7.    Ries H., Muschaweck J. Tailored freeform optical surfaces // J. Opt. Soc. Am. 2002. V. 19. P. 590–595. https://doi.org/10.1364/JOSAA.19.000590.

8.   Canavesi C., Cassarly W.J., Rolland J.P. Target flux estimation by calculating intersections between neighboring conic reflector patches // Opt. Lett. 2013. V. 38. P. 5012–5015. https://doi.org/10.1364/OL.38.005012.

9.   Sorgato S., Mohedano R., Chaves J. et al. Compact illumination optic with three freeform surfaces for improved beam control // Opt. Express. 2017. V. 25. P. 29627–29641. https://doi.org/10.1364/OE.25.029627.

10. Chaves J. Introduction to nonimaging optics // CRC Press. 2015. P. 786.

11.  Wang Y., Cheng D., Xu C. Freeform optics for virtual and augmented reality // Optical Design and Fabrication 2017 (Freeform, IODC, OFT). 2017. paper JTu3A.1. https://doi.org/10.1364/FREEFORM.2017.JTu3A.1.

12.  Benítez P., Miñano J.C., Grabovickic D., Narasimhan B., Nikolic M. Freeform optics for Virtual Reality applications // Optical Design and Fabrication 2017 (Freeform, IODC, OFT). 2017. paper ITu2A.1. https://doi.org/10.1364/IODC.2017.ITu2A.1.

13.  Domhardt A. Analytical design of freeform optics for point light sources // KIT Scientific Publishing. 2013. P. 146. https://doi.org/10.1364/AO.52.002521.

14.  Jiang J., To S., Lee W.B., Cheung B. Optical design of a freeform TIR lens for LED streetlight // Optik. 2010. V. 121. I. 19. P. 1761–1765. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2009.04.009.

15.  Voznesenskaya A.O., Romanova G.E., Qiao X. Modeling of LED scheme for street lighting on the basis of chip-on-board scheme // Proceedings of SPIE. 2018. V. 10693. P. 106930X. https://doi.org/10.1117/12.2311863.

16.  Романова Г.Э., Цяо С., Стригалев В.Е. Разработка линзы бокового свечения с использованием метода композиции // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2021. Т. 21. № 2. С. 147–153. (на англ. яз.). doi:10.17586/2226-1494-2021-21-2-147-153

17.  Chrisp M., Petrilli L., Echter M. et al. Freeform surveillance telescope demonstration // MSS Parallel Conference, MSS by BRTRC Federal Solutions under contract. 2019. P. 2769–2775.

18. Reimers J., Bauer A., Thompson K. P. et al. Freeform spectrometer enabling increased compactness // Light Sci. Appl. 2017. V. 6. P. e17026. https://doi.org/10.1038/lsa.2017.26.

19.  Geyl R., Ruch E., Bourgois R. et al. Freeform optics design, fabrication and testing technologies for space applications // Proc. SPIE. 2019. V. 11180. P. 111800P. https://doi.org/10.1117/12.2535944.

20. Schiesser E.M., Bauer A., Rolland J.P. Effect of freeform surfaces on the volume and performance of unobscured three mirror imagers in comparison with off-axis rotationally symmetric polynomials // Opt. Express. 2019. V. 27. P. 21750–21765. https://doi.org/10.1364/OE.27.021750.

21.  Cui S., Lyons N.P., Diaz L.R. et al. Silicone optical elements for cost-effective freeform solar concentration // Opt. Express. 2019. V. 27. P. A572–A580. https://doi.org/10.1364/OE.27.00A572.

22. Yoon C., Bauer A., Xu D. et al. Absolute linear-in-k spectrometer designs enabled by freeform optics // Opt. Express. 2019. V. 27. P. 34593–34602. https://doi.org/10.1364/OE.27.034593.

23. Muñoz F., Benítez P., Miñano J.C. High-order aspherics: the SMS nonimaging design method applied to imaging optics // Proceedings of SPIE. 2011. V. 7100. P. 9. https://doi.org/10.1117/12.797065.

24. Bruneton A., Bäuerle A., Wester R. et al. Limitations of the ray mapping approach in freeform optics design // Optics Letters. 2013. V. 38. № 11. P. 1945–1947. https://doi.org/10.1364/OL.38.001945.

25. Родионов С.А. Автоматизация проектирования оптических систем // Л.: Машиностроение, 1982. 270 с.

26. Mazur I., Voznesenskaya A., Trifanov A. et al. Development of a neural network for the synthesis of freeform optical elements with a flat wavefront // CEUR Workshop Proceedings. 2020. V. 2744. P. 1–9. https://doi.org/10.51130/graphicon-2020-2-4-45.

27. Папаев П.Л., Макляев И.В., Дударов С.П. Cравнение моделирующей способности нейронных сетей радиально-базисных функций и двухслойных перцептронов // Успехи в химии и химической технологии. 2020. В. 34. № 6(229). P. 109–111.

28. Mitchell T.M. Machine learning // McGraw Hill. 1997. P. 414.

29. Parzen E. On estimation of a probability density function and mode // The Annals of Mathematical Statistics. 1962. V. 33. № 3. P. 1065–1076. https://doi.org/10.1214/aoms/1177704472.

30. Nadaraya E.A. On estimating regression // Theory of Probability and its Applications. 1964. V. 9. № 1. P. 141–142. https://doi.org/10.1137/1109020.

31.  Watson G.S. Smooth regression analysis // Sankhyā: The Indian Journal of Statistics. Series A. 1964. V. 26. P. 359–372.

32. Rosenblatt M. Remarks on some nonparametric estimates of a density function // The Annals of Mathematical Statistics. 1956. V. 27. № 3. P. 832–837. https://doi.org/10.1214/aoms/1177728190.

33. Цуканова Г.И. Прикладная оптика. Часть 1. Конспект лекций. СПб: СПбГУ, ИТМО, 2008. С. 54–55.

34.      Вознесенская А.О., Мазур Я.В., Кризский П.Ю. Интерполяционные уравнения преломляющих поверхностей свободной формы // Оптический журнал. 2018. Т. 85. № 9. С. 70–73.