1.3. Современные направления прикладной и компьютерной оптики

Рассмотрим более подробно некоторые направления деятельности и научных исследований в области прикладной и компьютерной оптики.

Компьютерное проектирование оптических систем

Целью этого направления является получение конструктивных и технологических параметров оптических систем требуемого качества.

Первоначальное формирование конструкционной модели оптической системы может происходить при помощи специальных компьютерных программ синтеза оптических систем с требуемыми характеристиками. Затем наступает этап анализа, на котором рассчитывается ход лучей через оптическую систему и по различным характеристикам определяется качество оптической системы. К параметрам, позволяющим оценить качество оптического изображения, относятся параксиальные характеристики, величины аберраций, габариты пучков, а также различные специальные критерии качества, принятые в оптике. Дальнейшее изменение конструктивных параметров оптической системы для достижения требуемых значений характеристик качества возможно при помощи программ оптимизации.

Основной вклад в это направление вносят специалисты по проектированию оптических систем. А специалисты по компьютерной оптике разрабатывают соответствующее программное обеспечение, с которым потом работают расчетчики оптических систем.

На лабораторных работах предусмотрено знакомство с одной из таких программ – это широко известная в оптической промышленности программа для автоматизированного проектирования оптических систем OPAL-PC, которая была разработана на кафедре прикладной и компьютерной оптики.

Конструирование оптических приборов

Целью этого направления является разработка оптического прибора в целом, начиная с проектирования общей функциональной схемы прибора и заканчивая конструированием его оптических и механических деталей и узлов при активном использовании систем автоматизированного конструирования.

К задачам этого направления относятся исследование общей теории проектирования оптических приборов, анализ технического задания и постановка задачи, разработка функциональной схемы оптического прибора, конструирование различных типов его элементов, деталей и узлов, а также оценка технологичности конструкторских решений.

Конструированием оптических приборов занимаются специалисты в области оптических приборов.

Автоматизация проектирования оптических приборов

Основной целью автоматизации проектирования оптических приборов является разработка программного обеспечения для построения единой технологической цепочки CAЕ/CAD/CAM (Computer-Aided Engineering, Computer-Aided Design, Computer-Aided Manufacturing) – проектирование/конструирование/производство с помощью компьютера.

К задачам автоматизации конструирования оптических приборов относится в первую очередь автоматизация выпуска конструкторской документации с учетом требований стандартизации, а также автоматизация подбора конструктивных решений. В задачи этого направления входит также трехмерное моделирование конструкции оптических приборов.

В рамках этого направления изучаются и разрабатываются новые технологии проектирования оптических приборов в среде автоматизированного конструирования. Проводится исследование возможностей автоматизации процесса проектирования и конструирования оптических приборов, перспектив развития систем и сред автоматизированного конструирования в оптическом приборостроении.

Автоматизацией проектирования оптических приборов занимаются специалисты в области оптических приборов.

На лабораторных работах предполагается знакомство с автоматизированным созданием простейших чертежей оптических деталей в среде автоматизированного проектирования AutoCAD.

Компьютерное моделирование оптических процессов и оптического изображения

Основной целью этого направления является моделирование работы оптического прибора или физического явления на основе математической методов. Это необходимо в первую очередь для проверки качества работы оптического прибора до его изготовления. Кроме того, компьютерное моделирование чрезвычайно важно для проверки работоспособности и адекватности новых научных теорий, математических и вычислительных методов.

К основным задачам этого направления в первую очередь можно отнести моделирование формирования изображения различными изображающими системами (телескопы, микроскопы, фотоаппараты, геодезические, измерительные и многие другие приборы) при различных условиях освещения (разные виды когерентности и поляризации) самых разнообразных предметов. В рамках этого направления могут решаться и задачи моделирования различных процессов, связанных с оптикой, например, моделирование процесса лазерной генерации в оптическом резонаторе или моделирование фотографического процесса, включая взаимодействие света со светочувствительными элементами пленки или ПЗС-матрицы.

Компьютерным моделированием в основном занимаются специалисты по «компьютерной оптике», хотя непосредственное участие в моделировании (например, при создании новой научной теории) могут принимать и специалисты другого профиля.

Обработка оптических изображений

Целью этого направления является, во-первых, обработка оптического изображения для его коррекции, в частности, уменьшение дефокусировки изображений, устранение смазанного изображения, коррекция слишком больших или коротких экспозиций, устранение шума. Во-вторых, при помощи обработки изображений специальными оптическими фильтрами (в том числе фазовыми) возможно извлечение дополнительной информации из оптического излучения (цифровая фильтрация, распознавание образов, томография).

Уровень современных методов обработки изображений настолько высок, что становятся реальностью автоматические устройства распознавания разных объектов – от дорожных знаков до лиц людей. Такие системы особенно актуальны в настоящее время для охраны особо важных предприятий (аэродромов, атомных электростанций и научных центров).

Еще одной важной задачей цифровой обработки изображений является обработка данных контроля оптических элементов и систем (интерферограммы, гартманограммы), при помощи которой по распределению полос или точек на оптическом изображении можно сделать выводы о качестве контролируемой детали.

В основном цифровой обработкой изображений занимаются специалисты в области компьютерной оптики.

Компьютерное управление оптическими системами и процессами

Работа высокоточных приборов, какими являются оптические измерительные приборы, невозможна без использования компьютеров. Компьютерное управление такими приборами позволяет повысить и точность перемещений в пространстве, и точность управления временными процессами.

К задачам компьютерного управления можно отнести управление приборами оптической астрономии, космическими объектами, автоматизация оптического эксперимента и оптических измерений. Компьютерное управление позволяет автоматизировать точную сборку и юстировку (наладку) оптических приборов.

Кроме того, компьютерное управление оптическими процессами применяется для контроля оптических систем за пределами видимой области спектра, когда даже высококвалифицированный специалист не может непосредственно влиять на качество сборки или компоновки.

Компьютерным управлением оптическими системами и процессами в основном занимаются специалисты в сфере компьютерная оптика.