авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Разработка алгоритмов и программных средств моделирования оптических систем на основе технологии рассеивающих микроэлементов

-- [ Страница 1 ] --

Российская академия наук

Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша

На правах рукописи

Жданов Дмитрий Дмитриевич

Разработка алгоритмов и программных средств моделирования оптических систем на основе технологии рассеивающих микроэлементов

Специальность 05.13.11 – математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Москва – 2006 год

Работа выполнена в Институте прикладной математики

им. М.В. Келдыша РАН.

Научный руководитель – кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Галактионов Владимир Александрович

Официальные оппоненты:

– доктор физико-математических наук, профессор

Соколов Сергей Михайлович,

– кандидат физико-математических наук

Вежневец Владимир Петрович

Ведущая организация: Государственный научно-исследовательский институт авиационных систем (ГосНИИАС)

Защита состоится «____» 2006 г. в _____ часов на заседании Диссертационного совета Д 002.024.01 в Институте прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН по адресу: 125047, Москва, Миусская пл., 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН.

Автореферат разослан «____» ____________ 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор физико-математических наук Т.А. Полилова

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы

Растущие требования, предъявляемые к эргономичности современной техники, заставляют производителей искать новые решения при проектировании жидкокристаллических (LCD) мониторов, приборных панелей автомобилей и других аналогичных устройств. Для того чтобы добиться наиболее равномерного и комфортного освещения экрана монитора или приборной панели, создаются сложные системы подсветки, в производстве которых используются светопроводящие элементы со сложными оптическими свойствами.

Принцип работы систем подсветки жидкокристаллических мониторов и аналогичных устройств заключается в передаче светового излучения от источников света через светопроводящие элементы на экран дисплея или приборной панели. Для создания необходимого уровня и распределения выходного светового излучения светопроводящим элементам придаются специальные свойства поверхностного и объемного рассеивания. Свет, распространяющийся в светопроводящих элементах, рассеивается на поверхностях или в объеме этого элемента, покидает его и создает требуемое распределение на экране.

Свойства поверхностного рассеивания обеспечиваются посредством создания на поверхности светопроводящего элемента специальной микроструктуры в виде рассеивающих микроэлементов заданной формы, размера, ориентации и распределения. Резкий прогресс в развитии технологий позволяет уменьшать размеры рассеивающих микроэлементов и усложнять их форму. Кроме того, оптические свойства таких элементов могут быть достаточно сложными, что приводит к возникновению эффекта поляризационного рассеивания, когда состояние поляризации рассеянного света зависит от направления падения света на рассеивающий элемент и собственно направления рассеивания. Все это, с одной стороны, приводит к повышению эффективности и равномерности выходного излучения осветительных систем, а с другой стороны – к значительному увеличению числа рассеивающих микроэлементов (количество рассеивающих микроэлементов достигает десятков миллионов). Такое усложнение геометрии светопроводящих элементов и их оптических свойств делает невозможным применение традиционных систем оптического моделирования для проектирования оптических устройств данного типа.





Свойства объемного рассеивания обеспечиваются посредством введения рассеивающих частиц (как правило, сферических) в объем светопроводящего элемента. Концентрация, размеры и оптические свойства рассеивающих частиц рассчитываются таким образом, чтобы обеспечить требуемое распределение светового излучения на выходе из светопроводящей пластины. Основное внимание при моделировании оптических элементов с объемным рассеиванием должно быть уделено обеспечению физической аккуратности и одновременно эффективности моделирования. Такое сочетание требований затрудняет использование традиционных средств оптического моделирования для проектирования оптических систем, содержащих элементы объемного рассеивания.

Модели распространения света в светорассеивающих элементах являются частью систем оптического моделирования. Такие системы обеспечивают сквозное моделирование, то есть распространение света от источников до приемников излучения. Именно поэтому модели распространения света в светорассеивающих элементах должны быть физически аккуратными и эффективными.

Цель работы

Целью работы является исследование и разработка методов, алгоритмов и программных средств для моделирования распространения света в микроструктурных рассеивающих объектах, что позволит применить полученные программные средства для эффективного проектирования сложных оптических светопроводящих систем.

Научная новизна работы

Предложена оригинальная концепция моделирования распространения света в сложных светопроводящих оптических системах и устройствах. Предложены и разработаны универсальные программные интерфейсы, позволяющие осуществлять оптическое моделирование, как в лучевом, так и в волновом приближении. Разработаны и реализованы эффективные алгоритмы моделирования распространения света в сложных светопроводящих системах с рассеивающими элементами.

Практическая значимость

Разработанные алгоритмы позволили уже в середине 80-х годов прошлого века реализовать систему моделирования распространения рассеянного света в сложных светопроводящих оптических системах [1, 2]. Практическая значимость первоначальных решений была снижена техническими ограничениями вычислительной техники (персональными ЭВМ и БЭСМ-6). Повышение эффективности вычислительной техники доказало состоятельность предложенных ранее решений и позволило производить моделирование таких сложных оптических устройств, как системы подсветки жидкокристаллических дисплеев [3, 4, 5, 6].

На базе концепций и технологий, предложенных в диссертации, был реализован индустриальный программный продукт SPECTER (интерактивная система физически аккуратного оптического моделирования и проектирования), который активно используется для моделирования и проектирования реальных оптико-электронных приборов и устройств.

Апробация работы и публикации

Основные результаты диссертации были доложены на международных научных конференциях [3, 4, 5] и опубликованы в рецензируемых журналах [1, 2, 6], в том числе одна публикация в издании из списка ВАК. Основные результаты диссертационной работы были внедрены и широко используются в индустриальном программном комплексе SPECTER фирмы Integra Inc.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Содержание работы изложено на 138 страницах. Список литературы включает 82 наименования. В работе содержится 77 рисунков.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность и практическая значимость темы диссертации. Коротко рассматриваются основные проблемы, связанные с моделированием оптических систем, содержащих светопроводящие элементы, обладающие поверхностным или объемным рассеиванием. Производится анализ возможных решений, используемых для моделирования сложных оптических систем. В качестве наиболее подходящего решения моделирования распространения света в таких сложных оптических системах выбирается трассировка лучей методом Монте-Карло. В то же время моделирование распространения света внутри самих светорассеивающих элементов допускает другие решения (например, волновые), которые по программному интерфейсу совместимы с трассировкой лучей методом Монте-Карло, используемым в базовой системе оптического моделирования. Также во введении излагается краткое содержание следующих глав диссертационной работы.

Первая глава посвящена разработке концепции оптических элементов (ОЭ) и определению их программного интерфейса. Анализ задач, связанных с оптическим моделированием современных светопроводящих и светорассеивающих оптических систем, выявил недостаточность традиционных систем оптического моделирования для решения задач данного класса. Недостаточность проявляется либо в принципиальной невозможности аккуратного моделирования распространения света в оптических системах данного класса, либо в низкой эффективности аккуратного оптического моделирования.

В качестве решения этой проблемы предлагается использовать специализированные объекты, которые, с одной стороны, позволяют решать задачи физически аккуратного моделирования, а с другой стороны, могут быть интегрированы в существующие системы оптического моделирования. Данная работа вводит новую концепцию таких специализированных объектов и определяет их как оптические элементы.

Оптический элемент (ОЭ) – это объект программно моделируемой оптической системы или устройства, который позволяет использовать оптически более сложные модели взаимодействия света с объектами оптической системы, чем модели, предлагаемые традиционными программными комплексами оптического моделирования.

ОЭ расширяет функциональность систем оптического моделирования, но при этом не раскрывает собственную функциональность. Поэтому с точки зрения оптической системы ОЭ – это «черный ящик», который принимает на вход лучи, преобразует их и затем выдает их назад программе оптического моделирования, трассирующей лучи в оптической системе. Схематично процесс взаимодействия лучей с ОЭ показан на рис. 1.

 Распространение лучей в-0

 Распространение лучей в оптической-1

Рис. 1. Распространение лучей в оптической системе, содержащей ОЭ.

Исходя из задач, которые должен решать ОЭ, формулируются основные требования к ОЭ и их программному интерфейсу как к элементам систем оптического моделирования:

  • Высокая эффективность и точность оптического моделирования.
  • Независимость ОЭ от оптической системы и системы оптического моделирования, которая его использует (ОЭ не располагает никакой информацией об объектах, которые его используют).
  • Объектно-ориентированная организация ОЭ (ОЭ предоставляет оптической системе только интерфейс своих базовых классов).
  • Возможность работы ОЭ в параллельных и распределенных вычислениях.

Абстрактность интерфейса ОЭ является очень важным требованием. Она позволяет скрыть сущность ОЭ от системы оптического моделирования. Интерфейс ОЭ не зависит от типа ОЭ, например, ОЭ с поверхностным рассеиванием имеет тот же самый интерфейс, как ОЭ с объемным рассеиванием. В результате любая модель, которая укладывается в рамки интерфейса ОЭ, может быть реализована без каких-либо изменений в системе оптического моделирования.

В качестве программного языка реализации ОЭ использовался язык С++, который, с одной стороны, обеспечивает высокую эффективность в вычислительных приложениях, а с другой – является объектно-ориентированным языком, что упрощает объектно-ориентированную реализацию ОЭ. Кроме того, большинство систем оптического моделирования используют язык С++, что упрощает интеграцию ОЭ в данные системы.

Для обеспечения взаимодействия ОЭ с традиционными системами оптического моделирования разрабатывается концепция данного взаимодействия, в которой ОЭ играет исключительно пассивную роль. В данной концепции ОЭ не обладают никакой информацией как об оптической системе, так и системе оптического моделирования, которые его используют. Поэтому взаимодействие ОЭ с системой оптического моделирования реализуется посредством запросов и ответов, причем запросы идут только со стороны системы оптического моделирования. Алгоритм взаимодействия ОЭ с системой оптического моделирования схематично представлен на рис. 2.

 Взаимодействие ОЭ с системой-2

Рис. 2. Взаимодействие ОЭ с системой оптического моделирования.

Аналогично организации оптической системы, модель ОЭ разбивается на две части – численное описание ОЭ и модель распространения света (световых лучей) в ОЭ. В соответствии с данной организацией ОЭ формируются два типа запросов:

  • Запросы для обеспечения оптического моделирования (трассировки лучей).
  • Запросы для формирования численной модели ОЭ в оптической системе.

Для разработки наиболее походящего программного интерфейса распространения света в ОЭ был произведен анализ методов, используемых для трассировки лучей в системах оптического моделирования. Анализ показал, что традиционные системы оптического моделирования используют различные модификации метода Монте-Карло. Вариации методов Монте-Карло выражаются в различной интерпретации эффекта рассеивания света на поверхностях и средах оптической системы. Принимая во внимание, что ОЭ должен обеспечивать программный интерфейс со всеми основными системами оптического моделирования, в качестве базового интерфейса был выбран интерфейс «русской рулетки».

Специфика метода «русской рулетки» заключается в том, что, во-первых, энергия световых лучей не меняется в процессе распространения их в оптической системе (событие поглощения – это случайный выбор между окончанием и продолжением трассировки луча), а во-вторых, любое рассеивание света порождает только один луч той же энергии. Очевидно, что с точки зрения программного интерфейса метод «русской рулетки» является универсальным, поскольку он легко совмещается с моделями, где поглощение луча приводит к снижению его энергии, и моделями, где рассеивание луча порождает пучок рассеянных лучей с пониженной энергией.

Для того чтобы обеспечить программный интерфейс с трассировкой лучей методом «русской рулетки», достаточно обеспечить два основных метода:

  • Поиск пересечения луча с границей ОЭ.
  • Преобразование луча ОЭ.

Метод нахождения пересечения луча с границей ОЭ позволяет определить находится ли ОЭ на траектории луча или нет, и если находится, то на каком расстоянии. Используя этот метод, трассировщик лучей системы оптического моделирования находит, с каким объектом в данный момент пересекается луч – с базовым элементом оптической системы или с ОЭ. Необходимо отметить, что ОЭ может не иметь собственной границы, а быть присоединенным к объектам оптической системы. В такой ситуации нахождение пересечения луча с границей ОЭ сводится к определению попадания луча в область его определения на объекте оптической системы, например на поверхности.

Метод преобразования луча ОЭ может быть вызван только после успешного нахождения пересечения луча с его границей. Для реализации этого метода допускается использование любых решений, совместимых с методом «русской рулетки», заложенным как основа лучевого интерфейса ОЭ. Поэтому даже если для преобразования луча используются волновые решения, эти волновые решения должны согласовываться с внешним интерфейсом ОЭ – то есть принимать один луч на входе и возвращать один луч на выходе.

Для обмена данными с вызывающей программой методы поиска пересечения луча с границей ОЭ и преобразования его на ОЭ имеют два параметра. Первый – это луч, а второй – это контекст луча. Луч несет основную информацию, как то: координаты, направление, цвет, состояние поляризации, фазу. Контекст луча – это дополнительная информация об оптической системе в точке входа луча в ОЭ (как то: нормаль в точке падения, ориентация оптических свойств поверхности, к которой прикреплен ОЭ, и т.п.) и об истории прохождения луча сквозь ОЭ.

Принимая во внимание «независимость» ОЭ от системы оптического моделирования, представление луча в оптической системе может отличаться от его представления в ОЭ. Для согласования этих представлений в каждом приложении ОЭ строятся производные классы луча и его контекста, обеспечивающие интеграцию луча ОЭ в систему оптического моделирования.

Для формирования численного представления ОЭ был разработан специальный интерфейс описания ОЭ. Текстовое писание ОЭ содержит всю информацию, необходимую для создания и автономного функционирования ОЭ и состоит из двух основных частей:

  • Описание внешних параметров ОЭ. Внешние параметры ОЭ – это такие параметры, которые используются для формирования численной модели ОЭ и могут быть изменены системой оптического моделирования, не затрагивая собственно модель ОЭ. Описание параметров включает в себя определение имен, типов, областей определения и другой дополнительной информации. Параметрами ОЭ могут быть числовые и текстовые переменные, одномерные и двумерные функции и таблицы числовых значений.

Для модификации параметров ОЭ был разработан специальный интерфейс, который позволяет модифицировать значения параметров ОЭ либо непосредственно в пользовательском интерфейсе программы оптического моделирования, либо вводить значения из текстовых файлов.

  • Определение ОЭ. Определение ОЭ имеет текстовое представление, использующее специальный скрипт, который позволяет выполнять все основные арифметические и логические операции, стандартные функции, а также многострочные конструкции с использованием операций условного перехода и циклов. В определение ОЭ допускается использование всех внешних параметров ОЭ и, таким образом, данное определение позволяет построить ОЭ как параметрический объект. Текстовое определение ОЭ, управляемое внешними параметрами, полностью определяет численную модель ОЭ.

Для полноценного функционирования ОЭ в среде оптической системы необходим импорт ряда параметров оптической системы в численную модель ОЭ. К таким параметрам оптической системы относятся внешняя геометрия объектов оптического элемента, а также оптические свойства окружающих сред и граничных поверхностей ОЭ. Например, в случае ОЭ рассеивающей среды форма ее граничной поверхности, оптические свойства этой поверхности, а также среда, окружающая ОЭ, могут быть импортированы из оптической системы. Все параметры, необходимые для импорта данных оптической системы, определены в самом ОЭ.

Для обеспечения надлежащего импорта данных оптической системы ОЭ имеет соответствующие методы, которые позволяют импортировать форму граничной поверхности ОЭ в виде массива треугольников, а оптические свойства в виде специального класса оптических свойств ОЭ. Поскольку представление оптических свойств ОЭ может отличаться от представления, используемого в системе оптического моделирования, то для каждого приложения создаются производные классы, конструкторы которых могут принять элементарные составляющие оптических свойств.



Pages:   || 2 | 3 |
 



Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.