JP6874239B2 - Rare event analysis device, rare event analysis method and rare event analysis program recording medium - Google Patents

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Description

本発明は、希少事象解析装置、希少事象解析方法および希少事象解析プログラム記録媒体に関する。 The present invention relates to a rare event analysis device, a rare event analysis method, and a rare event analysis program recording medium.

望遠鏡などの光学系を設計する際には、迷光が発生しないように設計する必要がある。ここで、「迷光」とは、光学設計において潜在的に起こるものであって、設計光路に従わない希少な非干渉性光線に起因して起こる光である。すなわち、非正規の経路(光路)で受光面に入ってくる光線は迷光と呼ばれ、像のコントラスト低下やノイズの原因となる。 When designing an optical system such as a telescope, it is necessary to design so that stray light does not occur. Here, "stray light" is light that is potentially generated in optical design and is caused by a rare non-interfering light ray that does not follow the design optical path. That is, light rays that enter the light receiving surface through a non-regular path (optical path) are called stray light, which causes a decrease in image contrast and noise.

しかしながら、非干渉性光線が複雑で大きな系において起こる条件は、非常に複雑であって、たとえ専門家が広範囲にわたる経験と優秀な直観とを持っていたとしても、迷光は稀に起こるものなので、専門家はときたまそれらを見落としてしまう。この事実は、設計されたシステムの性能低下をもたらすだけでなく、信用性と信頼性とを減少させてしまう。 However, the conditions under which non-interfering rays occur in complex and large systems are very complex, and stray light is rare, even if the expert has extensive experience and good intuition. Experts sometimes overlook them. This fact not only reduces the performance of the designed system, but also reduces its credibility and reliability.

一方、光学シミュレーションによって全ての可能な条件を適用して、非常に希少な条件を全て自動的に探索することは、実際問題として困難である。 On the other hand, it is practically difficult to automatically search for all very rare conditions by applying all possible conditions by optical simulation.

迷光を解析するためのシミュレーション手法が知られている。例えば、特許文献1は、1本の光線を透過光線と反射光線とに分割し、その両方の光線を追跡することにより迷光を扱えるようにして、より正確な光線追跡法による「光学シミュレーション装置」を実現している。 Simulation methods for analyzing stray light are known. For example, Patent Document 1 is an "optical simulation device" based on a more accurate ray tracing method, in which one ray is divided into a transmitted ray and a reflected ray so that stray light can be handled by tracing both rays. Has been realized.

特開平06−213769号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 06-23769

しかしながら、特許文献1は、迷光という稀な事象を効率よく発見するために、光学シミュレーション装置への入力となるパラメータ(事象)の組み合わせを決定する工夫については何ら示唆も開示もしていない。 However, Patent Document 1 does not suggest or disclose any device for determining the combination of parameters (events) to be input to the optical simulation device in order to efficiently discover the rare event of stray light.

本発明の目的は、上述した課題を解決する、希少事象解析装置、希少事象解析方法および希少事象解析プログラム記録媒体を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a rare event analysis device, a rare event analysis method, and a rare event analysis program recording medium that solves the above-mentioned problems.

本発明による希少事象解析装置は、希少事象が発生する可能性を発見する希少事象解析装置であって、提案分布Q(X)に基づいて、毎回の試験k(1≦k≦K)におけるN回のシミュレーションに使用する、各々が事象を規定するN個のパラメータXを決定して、前記N個のパラメータXを1つずつ順次、前記希少事象が発生する可能性を規定する評価関数C(X)を持つシミュレータに供給するパラメータ決定部と;前記N個のパラメータXに対応して、該シミュレータから出力されるN個の評価値C(X)を取得する評価値取得部と;を備え、前記パラメータ決定部は、過去の試験(k−1)のN回のシミュレーションに使用したN個の過去のパラメータXk−1と、該N個の過去のパラメータXk−1に対するN回のシミュレーションで取得されたN個の過去の評価値C(Xk−1)とに基づいて、今回の試験kにおけるN回のシミュレーションに使用するN個のパラメータXを決定し、前記パラメータ決定部は、前記N個の過去のパラメータXk−1と前記N個の過去の評価値C(Xk−1)とを入力して、評価値を階級とし、各階級のパラメータの個数を度数とするヒストグラムを算出するヒストグラム算出部と;該算出したヒストグラムに基づいて、前記今回の試験kにおけるN回のシミュレーションに使用するN個のパラメータXを生成するための乱数の分布を、前記ヒストグラムの階級に対して定められた閾値Cth以上の各階級でのパラメータの度数が、前記閾値Cth以下の各階級でのパラメータの度数よりも多くなるようなヒストグラムを与える乱数が得られるように、定義する乱数分布定義部と;該定義した乱数の分布に基づいて、前記今回の試験kにおける各シミュレーションに使用する各パラメータXを生成するパラメータ生成部と;を有する。The rare event analysis device according to the present invention is a rare event analysis device that discovers the possibility that a rare event may occur, and is N in each test k (1 ≦ k ≦ K) based on the proposed distribution Q (X). An evaluation function that determines the N parameters X k , each of which defines an event, and sequentially sets the N parameters X k one by one to define the possibility that the rare event will occur. A parameter determination unit supplied to a simulator having C (X); an evaluation value acquisition unit that acquires N evaluation values C (X k ) output from the simulator corresponding to the N parameters X k. And;, the parameter determination unit includes N past parameters X k-1 used in N simulations of the past test (k-1) and the N past parameters X k-1. Based on the N past evaluation values C (X k-1 ) obtained in the N simulations for, the N parameters X k to be used in the N simulations in this test k were determined. The parameter determination unit inputs the N past parameters X k-1 and the N past evaluation values C (X k-1 ), sets the evaluation value as a class, and sets the evaluation value as a class, and sets the parameters of each class. A histogram calculation unit that calculates a histogram with the number as a frequency; based on the calculated histogram, the distribution of random numbers for generating N parameters X k used for N simulations in the test k this time. , frequency parameters of the threshold value C th or more of each class defined with respect to classes of the histogram, a random number to provide a histogram as larger than the frequency of the parameters in the threshold C th following each class is obtained As such, it has a defined random number distribution definition unit; and a parameter generation unit that generates each parameter X k to be used for each simulation in the present test k based on the defined random number distribution.

本発明の希少事象解析方法は、希少事象が発生する可能性を発見する希少事象解析方法であって、提案分布Q(X)に基づいて、毎回の試験k(1≦k≦K)におけるN回のシミュレーションに使用する、各々が事象を規定するN個のパラメータXを決定して、前記N個のパラメータXを1つずつ順次、前記希少事象が発生する可能性を規定する評価関数C(X)を持つシミュレータに供給する、パラメータを決定することと;前記N個のパラメータXに対応して、該シミュレータから出力されるN個の評価値C(X)を取得することと;を含み、前記パラメータを決定することは、過去の試験(k−1)のN回のシミュレーションに使用したN個の過去のパラメータXk−1と、該N個の過去のパラメータXk−1に対するN回のシミュレーションで取得されたN個の過去の評価値C(Xk−1)とに基づいて、今回の試験kにおけるN回のシミュレーションに使用するN個のパラメータXを決定することであり、前記パラメータを決定することは、前記N個の過去のパラメータXk−1と前記N個の過去の評価値C(Xk−1)とを入力して、評価値を階級とし、各階級のパラメータの個数を度数とするヒストグラムを算出することと;該算出したヒストグラムに基づいて、前記今回の試験kにおけるN回のシミュレーションに使用するN個のパラメータXを生成するための乱数の分布を、前記ヒストグラムの階級に対して定められた閾値Cth以上の各階級でのパラメータの度数が、前記閾値Cth以下の各階級でのパラメータの度数よりも多くなるようなヒストグラムを与える乱数が得られるように、定義することと;該定義した乱数の分布に基づいて、前記今回の試験kにおける各シミュレーションに使用する各パラメータXを生成することと:を含む。The rare event analysis method of the present invention is a rare event analysis method for discovering the possibility that a rare event may occur, and is N in each test k (1 ≦ k ≦ K) based on the proposed distribution Q (X). An evaluation function that determines the N parameters X k , each of which defines an event, and sequentially sets the N parameters X k one by one to define the possibility that the rare event will occur. Determining the parameters to be supplied to the simulator having C (X); and acquiring the N evaluation values C (X k ) output from the simulator corresponding to the N parameters X k. When; comprises, determining the parameters, the N number of past parameters X k-1 used in the N times of the simulation of past test (k-1), the N pieces of past parameters X k Based on the N past evaluation values C (X k-1 ) obtained in the N simulations for -1, the N parameters X k to be used in the N simulations in this test k are determined. To determine the parameters, the N past parameters X k-1 and the N past evaluation values C (X k-1 ) are input, and the evaluation values are classified into classes. Then, to calculate a histogram in which the number of parameters of each class is a frequency; to generate N parameters X k to be used for N times of simulation in the present test k based on the calculated histogram. The distribution of random numbers in the above is a histogram in which the frequency of the parameter in each class above the threshold C th determined for the class of the histogram is greater than the frequency of the parameter in each class below the threshold C th. To obtain a random number that gives the above; to generate each parameter X k to be used for each simulation in the present test k based on the distribution of the defined random number.

本発明の希少事象解析プログラム記録媒体は、コンピュータに、希少事象が発生する可能性を発見する希少事象解析プログラムを記録した記録媒体であって、前記希少事象解析プログラムは、前記コンピュータに、提案分布Q(X)に基づいて、毎回の試験k(1≦k≦K)におけるN回のシミュレーションに使用する、各々が事象を規定するN個のパラメータXを決定して、前記N個のパラメータXを1つずつ順次、前記希少事象が発生する可能性を規定する評価関数C(X)を持つシミュレータに供給するパラメータ決定手順と;前記N個のパラメータXに対応して、該シミュレータから出力されるN個の評価値C(X)を取得する評価値取得手順と;を実行させ、前記パラメータ決定手順は、前記コンピュータに、過去の試験(k−1)のN回のシミュレーションに使用したN個の過去のパラメータXk−1と、該N個の過去のパラメータXk−1に対するN回のシミュレーションで取得されたN個の過去の評価値C(Xk−1)とに基づいて、今回の試験kにおけるN回のシミュレーションに使用するN個のパラメータXを決定させるものであり、前記パラメータ決定手順は、前記コンピュータに、前記N個の過去のパラメータXk−1と前記N個の過去の評価値C(Xk−1)とを入力して、評価値を階級とし、各階級のパラメータの個数を度数とするヒストグラムを算出するヒストグラム算出手順と;該算出したヒストグラムに基づいて、前記今回の試験kにおけるN回のシミュレーションに使用するN個のパラメータXを生成するための乱数の分布を、前記ヒストグラムの階級に対して定められた閾値Cth以上の各階級でのパラメータの度数が、前記閾値Cth以下の各階級でのパラメータの度数よりも多くなるようなヒストグラムを与える乱数が得られるように、定義する乱数分布定義手順と;該定義した乱数の分布に基づいて、前記今回の試験kにおける各シミュレーションに使用する各パラメータXを生成するパラメータ生成手順と;を実行させる。The rare event analysis program recording medium of the present invention is a recording medium on which a rare event analysis program for discovering the possibility of a rare event occurring is recorded on a computer, and the rare event analysis program is proposed on the computer. Based on Q (X), N parameters X k , each of which defines an event, to be used for N simulations in each test k (1 ≦ k ≦ K) are determined, and the N parameters are determined. A parameter determination procedure for sequentially supplying X k one by one to a simulator having an evaluation function C (X) that defines the possibility of the rare event occurring; the simulator corresponding to the N parameters X k. The evaluation value acquisition procedure for acquiring N evaluation values C (X k ) output from is executed, and the parameter determination procedure causes the computer to perform N simulations of the past test (k-1). The N past parameters X k-1 used in the above and the N past evaluation values C (X k-1 ) obtained in N simulations for the N past parameters X k-1. Based on the above, N parameters X k to be used for N simulations in this test k are determined, and the parameter determination procedure causes the computer to determine the N past parameters X k-1. And the above N past evaluation values C (X k-1 ), and a histogram calculation procedure for calculating a histogram in which the evaluation value is a class and the number of parameters of each class is a frequency; Based on the histogram, the distribution of random numbers for generating the N parameters X k used for the N simulations in the current test k is determined for each of the thresholds C th or more determined for the class of the histogram. A procedure for defining a random distribution distribution and defining a random number so as to obtain a random number that gives a histogram in which the frequency of the parameter in the class is higher than the frequency of the parameter in each class below the threshold C th; Based on the distribution, the parameter generation procedure for generating each parameter X k used for each simulation in the test k of this time and; are executed.

本発明によれば、目的系における極めて稀で致命的な事象を、自動的に確実に解析できる。 According to the present invention, extremely rare and fatal events in the target system can be automatically and reliably analyzed.

本発明が適用される望遠鏡の設計した光学系の概略構成を示す図である。It is a figure which shows the schematic structure of the optical system designed by the telescope to which this invention is applied. 本発明において使用される、Multicanonical MCMC法を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the Multicanonical MCMC method used in this invention. 図1に示した設計した光学系の受光面での事象Xを規定する4つ変数を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows four variables which define the event X on the light receiving surface of the design optical system shown in FIG. 4次元パラメータ空間における迷光の探索の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the search of a stray light in a four-dimensional parameter space. Multicanonical MCMC法における致命的な度合い(評価関数)C(X)上のサンプルされた事象を示すヒストグラムの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the histogram which shows the sampled event on the fatality degree (evaluation function) C (X) in the Multicanonical MCMC method. 希少事象探索のために特殊化されたMulticanonical MCMC法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the Multicanonical MCMC method specialized for the rare event search. 標準的なMulticanonical MCMC法(sm−MCMC)と提案したFocused Multicanonical MCMC法(fm−MCMC)との間のヒストグラム更新回数に対して、迷光を引き起こす得られた光線の数の比較を示す図である。It is a figure which shows the comparison of the number of rays obtained which cause a stray light with respect to the number of histogram updates between the standard Multicanonical MCMC method (sm-MCMC) and the proposed Focused Multicanonical MCMC method (fm-MCMC). .. 本発明の第1の実施例による光学系設計支援システムを示すブロック図である。It is a block diagram which shows the optical system design support system by 1st Example of this invention. 図8に示した光学系設計支援システム使用される、パラメータ決定部の構成を詳細に示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the parameter determination part used in the optical system design support system shown in FIG. 8 in detail. 本発明の第2の実施例による光学系設計支援システムを示すブロック図である。It is a block diagram which shows the optical system design support system by 2nd Example of this invention. 図10に示した光学系設計支援システム使用される、パラメータ決定部の構成を詳細に示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the parameter determination part used in the optical system design support system shown in FIG. 10 in detail. 本発明の第3の実施例による希少事象解析装置を示すブロックである。It is a block which shows the rare event analysis apparatus according to 3rd Example of this invention. 図12に示した希少事象解析装置に使用される、パラメータ決定部の構成を詳細に示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the parameter determination part used in the rare event analysis apparatus shown in FIG. 12 in detail.

まず、本発明の理解を容易にするために、本明細書中で使用する用語の意味に関して簡略的に説明する。 First, in order to facilitate the understanding of the present invention, the meanings of the terms used in the present specification will be briefly described.

マルコフ連鎖モンテカルロ法(MCMC法:Markov chain Monte Carlo methods)とは、求める確率分布を均衡分布として持つマルコフ連鎖を作成することをもとに、確率分布のサンプリングを行うアルゴリズムの総称である。換言すれば、MCMC法は、その名の示す通り「マルコフ連鎖」と「モンテカルロ法」とを組み合わせた方法である。具体的には、MCMC法は、マルコフ連鎖(Markov chain)と呼ばれる確率過程の性質を利用して確率分布からサンプリングを行い、様々な計算を行う方法である。 Markov chain Monte Carlo methods (MCMC method: Markov chain Monte Carlo methods) is a general term for algorithms that sample probability distributions based on creating Markov chains that have the desired probability distribution as a balanced distribution. In other words, the MCMC method is, as the name implies, a method that combines the "Markov chain" and the "Monte Carlo method". Specifically, the MCMC method is a method of performing various calculations by sampling from a probability distribution using the property of a stochastic process called a Markov chain.

マルチカノニカル法(Multicanonical algorithm)とは、MCMC法におけるサンプリング法の一つで、メトロポリス・ヘイスティング法により任意の形を持つ被積分関数を積分するときに用いられる。マルチカノニカル法では、サンプリングを状態密度の逆数に従って行う。マルチカノニカル法においては、状態密度はあらかじめワン・ランダウ法などの他の方法により計算しておく。 The multicanonical algorithm is one of the sampling methods in the MCMC method, and is used when integrating an integrand having an arbitrary shape by the metropolis hasting method. In the multicanonical method, sampling is performed according to the reciprocal of the density of states. In the multicanonical method, the density of states is calculated in advance by another method such as the Wang and Landau method.

メトロポリス・ヘイスティング法(もしくはM−Hアルゴリズム)(Metropolis-Hastings algorithm)は、直接サンプリングするのが難しい確率分布から統計標本の配列を生成するのに用いられるマルコフ連鎖を構築するのに用いられる手法である。この配列は、MCMC法において、目標分布の近似(ヒストグラム)として用いられたり、期待値のような積分計算を必要とするものに用いられる。 The Metropolis-Hastings algorithm is used to build Markov chains used to generate sequences of statistical samples from probability distributions that are difficult to sample directly. It is a method. This array is used as an approximation (histogram) of the target distribution in the MCMC method, or is used for those that require integral calculation such as the expected value.

ワン・ランダウ法(Wang and Landau algorithm)とは、系の状態密度を計算するために用いられるモンテカルロ法のひとつである。ワン・ランダウ法では状態密度の計算に必要な、系の取り得る全ての状態のエネルギを迅速に計算するため、非マルコフ連鎖ランダムウォークを行なう。ワン・ランダウ法は、マルチカノカル法の実行に必要となる、状態密度を計算するために重要である。 The Wang and Landau algorithm is one of the Monte Carlo methods used to calculate the density of states of a system. In the Wang and Landau method, a non-Markov chain random walk is performed in order to quickly calculate the energy of all possible states of the system, which is necessary for calculating the density of states. The Wang and Landau algorithm is important for calculating the density of states required to carry out the multicanocal method.

本発明の要旨の一つは、望遠鏡のような光学系の設計段階における迷光(希少事象)の発見という用途に、Multicanonical MCMC法を適用したことである。 One of the gist of the present invention is that the Multicanonical MCMC method is applied to the purpose of discovering stray light (rare event) in the design stage of an optical system such as a telescope.

しかしながら、両者を組み合わせることは次の理由により容易ではない。 However, it is not easy to combine the two for the following reasons.

何故なら、Multicanonical MCMC法は、長い尻尾を持つ分布に従う乱数を生成するためのいくつかの科学・数学分野においては使用されているが、工学分野における長い尻尾を一般に持たない希少事象解析には使用されていないからである。 This is because the Multicanonical MCMC method is used in some scientific and mathematical fields to generate random numbers that follow a long-tailed distribution, but is used in engineering for rare event analysis that generally does not have a long tail. Because it has not been done.

また、Multicanonical MCMC法は、統計数学、物理、および化学における種々の分野において応用されてきた。例えば、Multicanonical MCMC法は、ランダム行列、ランダムグラフ、カオス動力学の非常に希少な実例をサンプリングするために使用された。より応用向けの側面において、Multicanonical MCMC法は、遠隔通信における誤り訂正符号の理想的な性能を理論的に評価するための希少雑音をサンプリングするために使用された。しかしながら、実用的な現実世界問題のための、Multicanonical MCMC法の適用可能性とスケーラビリティは、論証されていないからである。 In addition, the Multicanonical MCMC method has been applied in various fields in statistical mathematics, physics, and chemistry. For example, the Multicanonical MCMC method was used to sample very rare examples of random matrices, random graphs, and chaotic dynamics. In a more applied aspect, the Multicanonical MCMC method was used to sample rare noise to theoretically evaluate the ideal performance of error-correcting codes in telecommunications. However, the applicability and scalability of the Multicanonical MCMC method for practical real-world problems has not been demonstrated.

一般に、迷光解析のためのシミュレーション手法では、逆伝播により設計された望遠鏡の受光面から光路(光線)のシミュレーションをスタートし、正規の入光口以外の場所に終着した光路(光線)があった場合(すなわち、正しい光路以外の光路があった場合)に、その光路(光線)を迷光の可能性があると判断する。 In general, in the simulation method for stray light analysis, there was an optical path (ray) that started from the light receiving surface of the telescope designed by backpropagation and ended at a place other than the regular light entrance. In the case (that is, when there is an optical path other than the correct optical path), it is judged that the optical path (light ray) may be stray light.

受光面は、水平方向および垂直方向の2次元座標の点(x、y)で表され、各点に対して光路(光線)が緯度方向および経度方向の角度α、βで表される。すなわち、一本の光路(光線)は、4つの変数(x、y、α、β)から成る一組のパラメータ値で表されることになる。換言すれば、各光路(光線)は、4つの変数(一組のパラメータ値)で規定される(4つのパラメータを座標とする4次元空間上のベクトルで規定される)。そのため、迷光を探索するには、上記4つの変数(一組のパラメータ値)を順次変えながら、膨大な数の光路(光線)に対してシミュレーションを行うことが必要となる。 The light receiving surface is represented by points (x, y) having two-dimensional coordinates in the horizontal and vertical directions, and the optical path (ray) is represented by angles α and β in the latitude and longitude directions with respect to each point. That is, one optical path (ray) is represented by a set of parameter values composed of four variables (x, y, α, β). In other words, each optical path (ray) is defined by four variables (a set of parameter values) (defined by a vector in four-dimensional space whose coordinates are the four parameters). Therefore, in order to search for stray light, it is necessary to perform a simulation for a huge number of optical paths (light rays) while sequentially changing the above four variables (a set of parameter values).

[発明の概要の説明]
本発明者らは、この統計的サンプリング手法を、信用できかつ信頼できる工学設計のために、非常に希少で致命的な事象の探索に応用する。本発明の提案は次のように要約される。
[Explanation of Outline of Invention]
We apply this statistical sampling technique to the search for extremely rare and deadly events for reliable and reliable engineering design. The proposal of the present invention is summarized as follows.

本発明者らは、Multicanonical MCMC法を使用して目的系における非常に希少で致命的な事象を自動的にかつ確実に解析する新規な手法を提案する。 The present inventors propose a novel method for automatically and surely analyzing extremely rare and fatal events in a target system using the Multicanonical MCMC method.

本発明者らは、また、希少で致命的な事象のより効率的な探索を達成する目的のために、特に、Multicanonical MCMC法の拡張を提案する。 We also propose an extension of the Multicanonical MCMC method, in particular, for the purpose of achieving a more efficient search for rare and fatal events.

本発明者らは、望遠鏡の実スケールの設計を使用した実験において、本発明者らの方法の優れた能力を確認し、本発明者らの解析は、10のシミュレーション試験のオーダ内で、成功のうちに全ての迷光を発見できた。これは、公知のグリッドサーチに基づくシミュレーションによって必要な試験の数よりも、5桁も少ない大きさである。ここで、「グリッドサーチ」とは、パラメータの組み合わせを、総当たりで探して探索したい事象(本迷光解析の例では迷光)を発生させるパラメータを探索する方法をいう。The present inventors have found that in experiments using actual scale design of the telescope, check the prowess of the method of the present inventors, the inventors of the analysis, in a 10 3 simulation tests of the order, I was able to discover all the stray lights with success. This is five orders of magnitude less than the number of tests required by simulations based on known grid searches. Here, the "grid search" refers to a method of searching for a parameter that causes an event (stray light in the example of this stray light analysis) to be searched by brute force searching for a combination of parameters.

[迷光用の探索のための解析]
迷光解析の目的は、望まれない光線が撮像素子の受光面に伝搬したかどうか、その強度が画像における雑音を引き起こすのに十分に大きいかどうかを決定することである。例えば、図1に示される望遠鏡の光学系10は、4つの鏡を持つ。
[Analysis for search for stray light]
The purpose of stray light analysis is to determine if unwanted light rays have propagated to the light receiving surface of the image sensor and if their intensity is large enough to cause noise in the image. For example, the telescope optical system 10 shown in FIG. 1 has four mirrors.

図1において、望遠鏡の光学系10は、第1の鏡11と、第2の鏡12と、第3の鏡13と、平面鏡14と、受光面15とを備える。 In FIG. 1, the telescope optical system 10 includes a first mirror 11, a second mirror 12, a third mirror 13, a plane mirror 14, and a light receiving surface 15.

図1において、実線16は、画像を形成するために受光面15上に焦点を合わすように設計された正規光の光路を表す。他方、破線17は、受光面15に非正規の光路で到達した迷光の光路を表す。 In FIG. 1, the solid line 16 represents an optical path of normal light designed to be focused on the light receiving surface 15 to form an image. On the other hand, the broken line 17 represents the optical path of the stray light that has reached the light receiving surface 15 by a non-regular optical path.

迷光解析の目的は、設計された望遠鏡において起こる、正規光の光路以外をたどって無視できない光量で受光面に達する光路を探索することである。 The purpose of stray light analysis is to search for an optical path that occurs in a designed telescope and reaches the light receiving surface with a non-negligible amount of light that traces other than the optical path of normal light.

迷光解析のためのツールは、2つのモンテカルロ原理の1つを使用することによって主に進展された。簡単な手法は、光線が与えられた光源においてあるランダムな位置からランダムな角度で出射される、前方伝播(順伝播)原理を使用することであり、望遠鏡の受光面での到達を評価する。この原理は、シミュレートされるべき出射の広い範囲の位置と角度とを必要とする。何故なら、光源は潜在的に望遠鏡を囲んでいるからである。したがって、前方伝播(順伝播)を使用する解析は、一般的には効率が悪くなる傾向がある。この困難さのために、迷光を解析するための大抵のツールは、光線が望遠鏡の受光面上のランダムな位置からランダムな角度で仮想的に出射される、後方伝播(逆伝播)原理を使用し、望遠鏡の外部へのそれらの存在をチェックする。分光計のような光の入出力特性が非対称な光学変換装置を除いて、望遠鏡の全ての光学要素は、光線の入射および出射に関して対称的である。したがって、後方伝播(逆伝播)は、前方伝播(順伝播)と同一の光路を提供する。後者の原理は、前者よりも効率的である。何故なら、光が受光面から放出される角度と位置の範囲は、ほとんどの場合において制限されるからである。 Tools for stray light analysis have been developed primarily by using one of the two Monte Carlo principles. A simple technique is to use the forward propagation (forward propagation) principle, in which light rays are emitted from a random position at a random angle in a given light source, to evaluate the arrival of the telescope at the light receiving surface. This principle requires a wide range of positions and angles of emission to be simulated. Because the light source potentially surrounds the telescope. Therefore, analyzes that use forward propagation (forward propagation) generally tend to be inefficient. Due to this difficulty, most tools for analyzing stray light use the backward propagation (backpropagation) principle, in which light rays are virtually emitted at random angles from random locations on the telescope's light receiving surface. And check their presence outside the telescope. All optical elements of a telescope are symmetric with respect to the ingress and egress of light rays, except for optical converters such as spectrometers, which have asymmetric light input and output characteristics. Therefore, backward propagation (backpropagation) provides the same optical path as forward propagation (forward propagation). The latter principle is more efficient than the former. This is because the range of angles and positions at which light is emitted from the light receiving surface is limited in most cases.

迷光の発生確率が非常に低い場合、後方伝播(逆伝播)原理を使用するツールの効率は、迷光のしらみつぶし探索を可能にするには不十分である。したがって、これらのツールは、専門家によって迷光の発生に向けて発見的に受光面に達する幾つかの光路をシミュレートするために使用される。専門家の知識とこのツールとを組み合わせた合成法を提案して、迷光解析の信頼性と効率性とを増加することを試みている。しかしながら、人間の専門家によって行われる解析は、専門家のスキルと知識とに依存し、ある場合にはすべての迷光を探索できない。何故なら、迷光の発生する条件は、非常に複雑で、稀に起こるからである。加えて、人間の解析は、熟練した専門家の制限された有用性を扱えない。 When the probability of stray light occurrence is very low, the efficiency of tools that use the backward propagation (backpropagation) principle is insufficient to enable stray light brute force search. Therefore, these tools are used by experts to simulate some optical paths that heuristically reach the light receiving surface towards the generation of stray light. We are trying to increase the reliability and efficiency of stray light analysis by proposing a synthesis method that combines expert knowledge with this tool. However, the analysis performed by a human expert depends on the skill and knowledge of the expert and, in some cases, cannot search for all stray lights. This is because the conditions under which stray light occurs are extremely complex and rare. In addition, human analysis cannot handle the limited usefulness of skilled professionals.

[工学設計のための希少で致命的な事象探索]
多くの工学設計のタスクにおいて与えられる、致命的な結果を引き起こす希少事象を発見するには、次の特徴が必要である。
[Rare and deadly event search for engineering design]
The following characteristics are required to discover the rare events that cause fatal consequences given in many engineering design tasks.

(1)多数の種類の希少で致命的な事象が、不連続かつ非線形と複雑性とによって特徴づけられる実世界システムにおいて効率的に探索される。
(2)暗黙に与えられかつ非常に低い発生に従う事象が、効率的に探索される。
(3)事象発生の確率が、定量的に評価される。
(1) Many types of rare and fatal events are efficiently searched for in real-world systems characterized by discontinuity, non-linearity and complexity.
(2) Events that are implicitly given and follow very low occurrences are efficiently searched.
(3) The probability of event occurrence is quantitatively evaluated.

3番目の特徴を光学設計タスクでは無視することができない。何故なら、致命的な事象が発生する確率の定量的な評価は、工学設計タスクにおいてしばしば要求されるからである。事象の発生確率が非常に低い場合、光学設計タスクでは無視することがありうる。 The third feature cannot be ignored in optical design tasks. This is because a quantitative assessment of the probability of a fatal event occurring is often required in engineering design tasks. If the probability of an event occurring is very low, it can be ignored in optical design tasks.

(1)に関して、探索空間において目標関数のある特定の特徴を仮定する、凸状最適化のような方法は、この問題に適用できない。何故なら、特徴の種類が未知であるからである。この観点において、進化的最適化フレームワーク、確率的最適化フレームワーク、情報科学的最適化フレームワークが、迷光条件を探索するための候補となる。何故なら、それらは、多数の局所極大を探索できるからである。例えば、遺伝的アルゴリズムやシミュレーテッド・アニーリングが代表的なアルゴリズムであり、しばしば、種々の問題において多数の局所極大を見つけるためによく実行される。何故なら、これらのアルゴリズムは、理想的には、根本的な適合特徴についての何らの仮定も必要としないからである。近年、ベイズ最適化が、種々の工学応用においてしばしば使用されている。これは、未知で根本的な適合特徴が、ガウス過程のようないくつかの原理によって生成された代理のモデルによって良く近似されることを仮定しており、特徴推定の最も高い不確かさの点を評価することによって、特徴の局所極大を探す。この手法は、目的とする特徴関数が、評価するために費用が高く、微分不可能で、非凸で、かつ多峰性があるとき、効果的でかつ効率的である。 With respect to (1), methods such as convex optimization, which assume certain features of the objective function in the search space, are not applicable to this problem. This is because the type of feature is unknown. In this regard, evolutionary optimization frameworks, stochastic optimization frameworks, and information science optimization frameworks are candidates for exploring stray light conditions. Because they can search for a large number of local maxima. For example, genetic algorithms and simulated annealing are typical algorithms and are often performed to find a large number of local maxima in various problems. This is because these algorithms ideally do not require any assumptions about the underlying conforming features. In recent years, Bayesian optimization has often been used in various engineering applications. This assumes that the unknown and underlying fitted features are well approximated by surrogate models generated by some principles such as the Gaussian process, and points to the highest uncertainty of feature estimation. By evaluation, the local maximum of the feature is searched. This method is effective and efficient when the characteristic function of interest is expensive to evaluate, non-differentiable, non-convex, and multimodal.

しかしながら、これらフレームワークの探索原理がご都合主義で、確率的であるために、それらは、その非常に低い未知の確率のために不測の出来事によって見つけられる必要がある、高く分離しかつ高く局所化された極大を容易に見落としてしまう。加えて、最適化手法は、一般的に、システムにおける希少で致命的な事象の発生の確率についての情報を提供しない。何故なら、それらはそれらの探索機構において事象発生の確率分布を評価しないからである。したがって、これらの手法は、要求(2)および(3)を満足しない。 However, because the exploratory principles of these frameworks are opportunistic and probabilistic, they need to be found by contingencies due to their very low unknown probabilities, high isolation and high localization. It is easy to overlook the converted maximal. In addition, optimization techniques generally do not provide information about the probability of occurrence of rare and fatal events in the system. This is because they do not evaluate the probability distribution of event occurrence in their search mechanism. Therefore, these methods do not satisfy requirements (2) and (3).

対照的に、次に述べる確率的サンプリングフレームワークは、また根本的な適合特徴についてなんら仮定を必要とないが、その致命的な度合いに従って探索空間を重み付けることによって、目的のかつ未知の希少で致命的な事象に焦点を当てることによって、探索を効率的に達成する。更に、それは、探索の間じゅうそれらの確率分布を保存することによって希少で致命的な事象の公平な確率情報を効率的に獲得する。従って、このフレームワークは、3つの要求の全てを満たすのに十分である。 In contrast, the stochastic sampling framework described below also requires no assumptions about the underlying conforming features, but by weighting the search space according to its critical degree, it is of interest and unknown rarity. Efficiently accomplish your search by focusing on fatal events. In addition, it efficiently obtains fair probability information for rare and fatal events by preserving their probability distributions throughout the search. Therefore, this framework is sufficient to meet all three requirements.

[希少で致命的な事象の効率的な確率論的なサンプリング]
ヒストグラム法、Multicanonical MCMC法、およびレプリカ交換MCMC法が、希少で致命的な事象を含む事象を効率的に生成するための確率論的なサンプリングの代表的な方法である。これらの方法は、主に、与えられた確率分布を正確に保存するそれらの重みを持つ種々の特徴によって特徴づけられた事象が解析されるのを必要とする、統計物理の分野において開発されてきた。
[Efficient stochastic sampling of rare and fatal events]
Histogram method, Multicanonical MCMC method, and replica exchange MCMC method are typical methods of stochastic sampling for efficiently generating events including rare and fatal events. These methods have been developed primarily in the field of statistical physics, where events characterized by various features with their weights that accurately preserve a given probability distribution need to be analyzed. It was.

ヒストグラム法は、簡単に、それらの確率密度関数の逆数に従って、それらの確率に独立な分布を持つ事象から、事象をサンプリングする。しかしながら、その方法は、先行知識として明示的に知られている確率密度関数を必要とし、探索効率のために少ない次元のみを持つ空間上で支持される。 The histogram method simply samples events from events that have a distribution independent of their probabilities according to the reciprocal of their probability density function. However, the method requires a probability density function explicitly known as prior knowledge and is supported in space with only a few dimensions for search efficiency.

Multicanonical MCMC法は、単一のマルコフ連鎖モンテカルロ(MCMC)法を使用し、単一のMCMC法は、できるかぎり高い次元空間上の黙示的に与えられた確率分布から順次事象を探し出す。サンプリング工程を繰り返している間、Multicanonical MCMC法は、サンプルされた事象の重み関数を反復して更新して、それらが致命的な度合いに関して一様に分布されるのを保証する。従って、Multicanonical MCMC法は、何らの片寄りなく、それらの確率分布を正確に維持するそれらの重みを持って、目標とする希少で致命的な事象を含む種々の事象を効率的に列挙することになる。 The Multicanonical MCMC method uses a single Markov chain Monte Carlo (MCMC) method, and the single MCMC method sequentially seeks out events from an implicitly given probability distribution in the highest possible dimensional space. During the iterative sampling process, the Multicanonical MCMC method iteratively updates the weighting functions of the sampled events to ensure that they are evenly distributed with respect to the degree of lethality. Therefore, the Multicanonical MCMC method efficiently enumerates various events, including targeted rare and fatal events, with those weights that maintain their probability distributions accurately, without any bias. become.

レプリカ交換MCMC法は、層状にMCMC法を並列に用いるが、parallel tempering又はMetropolis-coupled MCMCとしてもまた知られている。各MCMC法は、暗黙に与えられた確率分布に従い、最上層のMCMC法は、対象の確率分布に従い、深層のMCMC法は、より平坦な分布に従う。この技法は、それの詳細釣り合いを満たしている間、隣接する層において他の事象を持つ1つの層において生成された事象を、順次およびランダムに交換する。上位層が、それの分布を乱すことなく、低い層からのより平坦な分布に従う事象を導入するので、対象の確率分布に従う最上MCMC法における希少で致命的な事象を含む種々の事象を取得する。この交換メカニズムは、Multicanonical MCMC法よりも希少で致命的な事象をより効率的に発生することができるけれども、個々のMCMC法の各工程が生成された事象の致命的な度合いをチェックするためのシミュレーションを含む、並列MCMC法の為に、多大の計算時間がかかる。 The replica exchange MCMC method uses the MCMC method in parallel in layers, but is also known as parallel tempering or Metropolis-coupled MCMC. Each MCMC method follows an implicitly given probability distribution, the top MCMC method follows a target probability distribution, and the deep MCMC method follows a flatter distribution. This technique sequentially and randomly exchanges events generated in one layer with other events in adjacent layers while satisfying detailed balance of it. Since the upper layer introduces events that follow a flatter distribution from the lower layer without disturbing its distribution, it acquires various events, including rare and fatal events in the highest MCMC method that follows the probability distribution of interest. .. Although this exchange mechanism can generate rare and fatal events more efficiently than the Multicanonical MCMC method, each step of the individual MCMC method is used to check the degree of fatality of the generated events. Due to the parallel MCMC method including simulation, it takes a lot of calculation time.

ずっと、これらの技法は、統計数学、物理、および化学における種々の分野において応用されてきた。例えば、それらは、ランダム行列、ランダムグラフ、カオス動力学の非常に希少な実例をサンプリングするために使用された。より応用向けの側面において、これらの技法は、遠隔通信における誤り訂正符号の理想的な性能を理論的に評価するための希少雑音をサンプリングするために使用された。しかしながら、実用的な現実世界問題のためのこれらの技法の適用可能性とスケーラビリティは、論証されていない。 Throughout these techniques, these techniques have been applied in various fields in statistical mathematics, physics, and chemistry. For example, they were used to sample very rare examples of random matrices, random graphs, and chaotic dynamics. In a more applied aspect, these techniques have been used to sample rare noise to theoretically evaluate the ideal performance of error-correcting codes in telecommunications. However, the applicability and scalability of these techniques for practical real-world problems has not been demonstrated.

本発明者らが提案する、高い信頼性を要求する工業設計のための非常に希少で致命的な事象探索の手法は、Multicanonical MCMC法を使用し、この研究は、特に、非常に複雑で不連続な特徴を持つ、望遠鏡の迷光解析に適用する。この手法は、モンテカルロシミュレータによって生成された光学事象の確率分布が明白には知られておらず、かつシミュレータによる事象の生成が高価であるような問題に適している。 The very rare and deadly event search method proposed by the present inventors for industrial design requiring high reliability uses the Multicanonical MCMC method, and this study is particularly complicated and unsuitable. It is applied to the stray light analysis of a telescope with continuous features. This method is suitable for problems in which the probability distribution of optical events generated by the Monte Carlo simulator is not clearly known and the generation of events by the simulator is expensive.

[Multicanonical MCMC法]
本発明者らは、最初に、提案分布に基づいて重みを適用することによって、事象を探し出すための重点サンプリングの使用について説明する。引き続いて、希少で致命的な事象を含む事象を効率的にサンプルためのマルチカノニカル重みを持つMCMCサンプリングを説明する。更に、Multicanonical MCMC法における適切な提案分布を得るアルゴリズムを説明する。
[Multicanonical MCMC method]
We first describe the use of importance sampling to locate events by applying weights based on the proposed distribution. Subsequently, MCMC sampling with multicanonical weights for efficiently sampling events, including rare and fatal events, will be described. Further, an algorithm for obtaining an appropriate proposed distribution in the Multicanonical MCMC method will be described.

離散事象空間Sを与えたとき、X∈Sは事象である。事象空間Sは離散でも連続でもあってよいことに注意されたい。事象空間Sが連続であるとき、事象空間Sの部分集合上の総和Σは、以後∫によって書き直される。さらに、事象Xが起こる確率分布は、P(X)で与えられる。確率分布P(X)は、目的が人工システムである多くの工学設計問題において明示的に与えられるが、確率分布P(X)は、自然の物を伴う多くの問題において過去に観察された記録によって暗黙に与えられる。本発明者らは、致命的な事象R={X∈S|Cth≦C(X)}の集合を定義する。ここで、

Figure 0006874239
およびCth∈[Cmin,Cmax]は、事象の致命的な度合いおよび致命的な事象を規定するために与えられたその閾値レベル(以下、単に「閾値」とも呼ぶ。)である。ここで、本発明者らは、[Cmin,Cmax]上での値域C、i=1、・・・、Bから成るヒストグラムを使用する。ここで、値域Cの高さは、次式で表される。Given the discrete event space S, X ∈ S is an event. Note that the event space S can be discrete or continuous. When the event space S is continuous, the sum Σ on the subset of the event space S is subsequently rewritten by ∫. Further, the probability distribution at which event X occurs is given by P (X). The probability distribution P (X) is explicitly given in many engineering design problems whose purpose is an artificial system, while the probability distribution P (X) is a record observed in the past in many problems involving natural objects. Implicitly given by. We define a set of fatal events R = { X ∈ S | C th ≤ C (X)}. here,
Figure 0006874239
And C th ∈ [C min , C max ] is the lethal degree of the event and its threshold level given to define the fatal event (hereinafter, also simply referred to as “threshold”). Here, the present inventors use a histogram consisting of the range C i , i = 1, ..., B on [C min , C max]. Here, the height of the range C i is expressed by the following equation.

Figure 0006874239
与えられた事象Xに対して、P(C(X))はP(C)を表す。ここで、致命的な度合いC(X)∈Cである。致命的な度合いは評価関数やエネルギ関数とも呼ばれる。また、値域Cは階級とも呼ばれ、値域Cの高さ(事象の個数)は度数とも呼ばれる。
Figure 0006874239
For a given event X, P (C (X)) represents P (C i ). Here, a fatal degree C (X) ∈C i. The degree of fatality is also called the evaluation function or energy function. The range C i is also called the class, and the height of the range C i (the number of events) is also called the frequency.

事象Xが非常に低い確率で発生する確率分布P(X)を持つ致命的な事象であると仮定し、確率分布P(X)から直接探し出すことによっては、希少な事象Xをほとんど得ることができない。したがって、目的は、与えられた確率分布P(X)の下で閾値Cth≦C(X)を満足する希少で致命的な事象を効率的に導き出すことと、全体の希少で致命的な事象Rの確率:P(R)=P(Cth≦C(C))の良好な推定を得ることである。By assuming that the event X is a fatal event having a probability distribution P (X) that occurs with a very low probability and searching directly from the probability distribution P (X), it is possible to obtain almost a rare event X. Can not. Therefore, the purpose is to efficiently derive rare and fatal events that satisfy the threshold C th ≤ C (X) under a given probability distribution P (X), and to efficiently derive the overall rare and fatal events. Probability of R: To obtain a good estimate of P (R) = P ( Cth ≤ C (C)).

[重点サンプリング]
与えられた確率分布P(X)に対して致命的な事象を効率的に生成するために、本発明者らは、事象がRにおいてマルチカノニカル重みG(C(X))によって人工的に引き上げられた提案分布Q(X)∝G(C(X))P(X)からサンプルされる、重点サンプリングを適用する。重点サンプリングとは、重みが付いたサンプルを用いて期待値を求める方法のことをいう。ここで、本発明者らは、確率分布P(X)≠0のときはいつでも提案分布Q(X)≠0であると仮定している。
[Importance sampling]
In order to efficiently generate a fatal event for a given probability distribution P (X), we artificially raise the event in R by a multicanonical weight G (C (X)). Importance sampling, sampled from the proposed distribution Q (X) ∝ G (C (X)) P (X), is applied. Importance sampling refers to a method of obtaining an expected value using a weighted sample. Here, the present inventors assume that the proposed distribution Q (X) ≠ 0 whenever the probability distribution P (X) ≠ 0.

[マルチカノニカル重みを持つMCMCサンプリング]
適切な提案分布Q(X)の選択は、重点サンプリングにおける希少で致命的な事象を含む事象の効率的な発生の鍵である。Multicanonical MCMC法は、近似的に次の数3および数4で表される提案分布Q(X)を選択する。
[MCMC sampling with multicanonical weights]
Choosing an appropriate proposed distribution Q (X) is key to the efficient occurrence of events, including rare and fatal events, in importance sampling. The Multicanonical MCMC method selects the proposed distribution Q (X) approximately represented by the following equations 3 and 4.

Figure 0006874239
Figure 0006874239
ここで、cは定数であり、各C、i=1、・・・、Bに対応するG(C(X))はマルチカノニカル重みとして知られている。
Figure 0006874239
Figure 0006874239
Here, c is a constant, each C i, i = 1, ··· , corresponding to B G (C (X)) is known as a multi-canonical weights.

数4を数3に代入することによって、すべての値域C、i=1、・・・、Bに対して{X∈S|C(X)∈C}上で、数5が得られる。By substituting the number 4 into the number 3, the number 5 is obtained on {X ∈ S | C (X) ∈ C i } for all ranges C i, i = 1, ···, B. ..

Figure 0006874239
ここで、Z=ΣP(X)/P(C(X))である。従って、Multicanonical MCMC法は、図2に示すように、領域[Cmin、Cmax]上の一様な分布でサンプルすることによってR={X∈S|Cth≦C(X)}における希少で致命的な事象のサンプルを多く得る。事象Xが一般に高次元のベクトルであるので、MCMC法は、提案分布Q(X)から事象Xを効率的にサンプルするために使用される。
Figure 0006874239
Here, a Z = Σ S P (X) / P (C (X)). Therefore, the Multicanonical MCMC method is rare in R = {X ∈ S | C th ≤ C (X)} by sampling with a uniform distribution over the region [C min , C max], as shown in FIG. Get many samples of fatal events. Since event X is generally a high dimensional vector, the MCMC method is used to efficiently sample event X from the proposed distribution Q (X).

[提案分布の反復推定]
前述したように、確率分布P(X)が与えられるが、確率分布P(X)は、多くの実際的な問題において直接には与えられず、したがって、数4は、マルチカノニカル重みG(C(X))を得るために直接的に適用されえない。したがって、本発明者らは、すべてのMCMCステップにおいて反復修正を使用してマルチカノニカル重みG(C(X))を効率的に推定するために、ワン・ランダウ法を適用する。
[Iterative estimation of proposed distribution]
As mentioned above, the probability distribution P (X) is given, but the probability distribution P (X) is not given directly in many practical problems, so the number 4 is the multicanonical weight G (C). (X)) cannot be applied directly to obtain. Therefore, we apply the Wang and Landau method to efficiently estimate the multicanonical weight G (C (X)) using iterative modification at every MCMC step.

鍵となるアイデアは、各値域C、i=1、・・・、BでG(C(X))を徐々に修正して、対応する提案分布Q(C(X))が区間[Cmin、Cmax]上で一様となることを保証することである。最も簡単なアルゴリズムは、すべてのマルチカノニカル重みG(C)が、十分に多数のサンプルされた事象が値域において蓄積された後に、更新される、エントロピック・サンプリング法である。対照的に、ワン・ランダウ法は、サンプル事象がMCMC法によって値域において生成された後に、直接的に値域を更新する。この頻繁な更新は、より効率的に、目的のマルチカノニカル重みG(C(X))を推定する。The key idea is to gradually modify G (C (X)) in each range C i , i = 1, ..., B, and the corresponding proposed distribution Q (C (X)) is the interval [C. It is to guarantee that it is uniform on [ min , C max]. The simplest algorithm, all multi-canonical weights G (C i) is, after a sufficiently large number of sampled event is accumulated in range, is updated, an entropic sampling method. In contrast, the Wang and Landau method updates the range directly after the sample event is generated in the range by the MCMC method. This frequent update more efficiently estimates the desired multicanonical weight G (C (X)).

ワン・ランダウ法は、次のように働く。MCMCプロセスの各ステップの後に、もし生成された事象が値域Cに属するなら、対応するマルチカノニカル重みG(C(X))は、一定係数0<F<1によって乗算される。この更新は、ヒストグラムがほとんど平坦になるまで繰り返される。この点で、全てのヒストグラム値域が0にリセットされ、Fは√Fに修正される。それから、マルチカノニカル重みG(C)の上記更新は、ヒストグラムが十分に平坦になるまで、再び繰り返される。最後に、マルチカノニカル重みG(C)、i=1、・・・、Bを取得し、それは十分に一様な提案分布Q(C(X))を保証する。The Wang and Landau method works as follows. After each step in the MCMC process, if the generated event belongs to range C i, the corresponding multi-canonical weights G (C (X)) is multiplied by a constant factor 0 <F <1. This update is repeated until the histogram is almost flat. At this point, all histogram ranges are reset to 0 and F is corrected to √F. Then, the update of the multi-canonical weights G (C i), until the histogram is sufficiently flat, again repeated. Finally, we obtain the multicanonical weights G (C i ), i = 1, ..., B, which guarantees a sufficiently uniform proposed distribution Q (C (X)).

[希少で致命的な事象の確率]
提案分布Q(X)から探し出されたサンプルX、i=1、・・・、Mを与えると、致命的な事象の集合Rの確率が次の数6として与えられる。
[Probability of rare and fatal events]
Given the samples X i , i = 1, ..., M found from the proposed distribution Q (X), the probability of the set R of fatal events is given as the next number 6.

Figure 0006874239
ここで、I(Cth≦C(X))は指示関数であって、次の数7として規定される。
Figure 0006874239
Here, I ( Cth ≤ C (X i )) is an indicator function and is defined as the following equation 7.

Figure 0006874239
この数式は計算するのに不便である。何故なら、提案分布Q(X)は、実際問題として、G(C(X))P(X)から容易に取得されないからである。従って、本発明者らは、それを数3および数4で置換することによってうまく処理し、マルチカノニカル重みG(C(X))のみから成る次の数8の数式を導出して、容易に計算する。
Figure 0006874239
This formula is inconvenient to calculate. This is because the proposed distribution Q (X) is not easily obtained from G (C (X)) P (X) as a practical matter. Therefore, we have successfully processed it by substituting it with equations 3 and 4, and easily derived the following equation of equation 8 consisting only of the multicanonical weight G (C (X)). calculate.

Figure 0006874239
ここで、次の数9の関連が使用される。
Figure 0006874239
Here, the following association of equation 9 is used.

Figure 0006874239
Figure 0006874239

[希少迷光探索のための方法論]
本発明者らは、望遠鏡の工学設計のためのシミュレーションを基にした希少迷光探索の新しい方法論を提案する。この方法論は、上記Multicanonical MCMC法と目標とする望遠鏡のシミュレータとから成る。
[Methodology for searching for rare stray lights]
We propose a new methodology for the search for rare stray light based on simulations for the engineering design of telescopes. This methodology consists of the Multicanonical MCMC method described above and the target telescope simulator.

本発明者らは、事象Xを、目標系の動作条件を提供するベクトルによって定義する。事象Xは、与えられた確率分布P(X)に従うと仮定する。MCMC法は、マルチカノニカル重みG(C)の下で確率分布P(X)と初期に同一な提案分布Q(X)に従う事象Xを生成するために使用される。ここで、i=1、・・・、Bで、全てのヒストグラムの階級で一様(ビン幅がすべて一様)である。それから、目的系Sim(X)のシミュレーションは、入力動作条件として生成された事象Xを使用して導かれ、入力事象Xからのシミュレーションの結果の状況における致命的な度合いは、ヒューリスティックに与えられた測度(評価関数)C(X)によって評価される。この致命的な度合いは、その初期ゼロの値から対応するヒストグラムQ(C)の値域におけるカウントを更新し、かつ、その間の上記ワン・ランダウ法によって値域のマルチカノニカル重みG(C)を更新するために使用される。これらの更新は、Q(X)∝G(C(X))P(X)として提案分布の更新を提供し、MCMC法による新しい提案分布Q(X)に従う次の事象Xの生成と致命的な度合い(評価関数)C(X)を提供する目的系のシミュレーションが繰り返される。このプロセスは、ヒストグラムQ(C)、i=1、・・・、Bがほとんど平坦になるまで続き、マルチカノニカル重みG(C)、i=1、・・・、Bが満足な程度に収束し、十分な数の事象Xが蓄積される。We define event X by a vector that provides the operating conditions of the target system. It is assumed that event X follows a given probability distribution P (X). MCMC methods are used to generate the multi-canonical weights G (C i) event X following the same proposal distribution Q (X) to an initial probability distribution P (X) under. Here, i = 1, ..., B, and all histogram classes are uniform (all bin widths are uniform). Then, the simulation of the objective system Sim (X) was derived using the event X generated as the input operating condition, and the critical degree in the situation of the simulation result from the input event X was given heuristically. It is evaluated by the measure (evaluation function) C (X). The fatal degree updates the count in the range of the histogram Q (C i) corresponding the value of the initial zero and the multi-canonical weights G (C i) of the range by intervening said one-Landau method Used to update. These updates provide updates to the proposed distribution as Q (X) ∝G (C (X)) P (X), and generate and fatally the next event X according to the new proposed distribution Q (X) by the MCMC method. The simulation of the objective system that provides the degree (evaluation function) C (X) is repeated. This process continues until the histograms Q (C i ), i = 1, ..., B are almost flat, and the multicanonical weights G (C i ), i = 1, ..., B are satisfactory. Converges to, and a sufficient number of events X are accumulated.

次の表1のAlgorithm 1は、この方法の擬似コードを表す。それは、二重の’while’ループを含み、内側のループは、出力ヒストグラムQ(C)、i=1、・・・、Bが十分に一様になるまで、提案分布Q(X)に対してMCMC法を続けることを意図し、外側のループは、それが最終的に最適に達するまで、マルチカノニカル重みG(C)、i=1、・・・、Bの修正を繰り返すことを意図している。本発明者らは、遷移関数Tδ(X)を、標準MCMCアルゴリズムである、メトロポリス法を適用して、現在の事象Xから次の候補事象X’を生成する。マルチカノニカル重みG(C)の収束が最適になった後、重みを持つM事象から成るデータ集合Dが生成され、致命的な事象の確率P(R)はデータ集合Dから推定される。Algorithm 1 in Table 1 below represents the pseudo code for this method. It contains a double'while'loop, with the inner loop in the proposed distribution Q (X) until the output histogram Q (C i ), i = 1, ..., B are sufficiently uniform. On the other hand, the outer loop intends to continue the MCMC method, and repeats the modification of the multicanonical weights G (C i ), i = 1, ..., B until it finally reaches the optimum. Intended. The present inventors apply the transition function T δ (X) to the metropolis method, which is a standard MCMC algorithm, to generate the next candidate event X'from the current event X. After convergence of the multi-canonical weights G (C i) has become optimum, the data set D consisting of M events is generated with a weight, the probability P of catastrophic event (R) is estimated from the data set D.

Figure 0006874239
Figure 0006874239

以下、本発明を実施する形態について図面を参照して詳細に説明する。以下の各実施形態に記載されている構成は単なる例示であり、本発明の技術範囲はそれらには限定されない。
[発明の概略]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The configurations described in each of the following embodiments are merely examples, and the technical scope of the present invention is not limited thereto.
[Outline of the invention]

本発明は、光学系シミュレータSim(X)に係り、それは、後述するように、望遠鏡を含む、光学系設計の分野において商業上利用可能で、標準である。このシミュレータは、事象Xは、光線が後方伝播(逆伝播)の方法によって撮像センサの受光面15(図1参照)から放射される、条件を示している。従って、事象Xは条件とも呼ばれる。それは、図3に示されるような、4つ変数X=[x,y,α,β]から成る。図3において、xおよびyは、それぞれ、x∈[−xrange、xrange]、y∈[−yrange、yrange]として規定される受光面15上の出射の水平位置および垂直位置である。加えて、αおよびβは、それぞれ、直交空間における出射された光線の緯度方向および経度方向の角度である。受光面15の法線ベクトルは、0度である。角度の範囲は、それぞれ、α∈[−90、90]、β∈[−90、90]である。事象(4つの変数)Xは、パラメータ(入力パラメータ)とも呼ばれる。The present invention relates to an optical system simulator Sim (X), which is commercially available and standard in the field of optical system design, including telescopes, as described below. In this simulator, event X indicates a condition in which light rays are emitted from the light receiving surface 15 (see FIG. 1) of the image sensor by a method of backward propagation (back propagation). Therefore, event X is also called a condition. It consists of four variables X = [x, y, α, β] T as shown in FIG. In FIG. 3, x and y are the horizontal and vertical positions of the emission on the light receiving surface 15 defined as x ∈ [−x range , x range ], y ∈ [−y range , y range], respectively. .. In addition, α and β are the latitude and longitude angles of the emitted light rays in orthogonal space, respectively. The normal vector of the light receiving surface 15 is 0 degrees. The range of angles is α ∈ [-90, 90] and β ∈ [-90, 90], respectively. The event (four variables) X is also called a parameter (input parameter).

確率分布P(X)は、次の数10として4つの独立ガウス分布の積によって与えられる。 The probability distribution P (X) is given by the product of four independent Gaussian distributions as the next number 10.

Figure 0006874239
ここで、d=4であり、Σは、次の数11で示される。
Figure 0006874239
Here, d = 4, and Σ P is represented by the following equation 11.

Figure 0006874239
この分布は、座標空間の原点で中心に置かれる。σおよびσは、それぞれ、xrangeおよびyrangeとして設定され、およびσαおよびσβは、それぞれ、90度である。
Figure 0006874239
This distribution is centered at the origin of the coordinate space. σ x and σ y are set as x range and y range , respectively, and σ α and σ β are 90 degrees, respectively.

この分布は、非常に広く、それは、中心でわずかに高いが、受光面の垂直方向において、ほとんど一様である。この確率分布P(X)の選択は、望遠鏡の対称幾何学と鏡構成を反映している。 This distribution is very wide, it is slightly higher in the center, but almost uniform in the direction perpendicular to the light receiving surface. The choice of this probability distribution P (X) reflects the telescope's symmetric geometry and mirror configuration.

致命的な度合い(評価関数)C(X)は、ヒューリスティックであるが注意深く指定される必要がある。何故なら、それは、致命的な事象を規定しているからである。本発明の実施の形態の解析において、致命的な度合いは、条件Xの下での受光面15から出射された光線が、後方伝播(逆伝播)を介して望遠鏡の外側へ到達するという事実によって主に規定される。cr(X)は、もしこれが起こったら1であり、それ以外は0である。しかしながら、cr(X)は、光路上のランダムな反射と屈折のために、与えられた条件Xに対して決定的でない。したがって、条件Xの本質的な致命的な度合いは、次の数12のようなn個の試験に対してcr(X)の平均を取得することによって評価される。 The critical degree (evaluation function) C (X) is heuristic but needs to be carefully specified. Because it defines a fatal event. In the analysis of the embodiments of the present invention, the critical degree is due to the fact that the light beam emitted from the light receiving surface 15 under condition X reaches the outside of the telescope via backward propagation (back propagation). Mainly stipulated. cr (X) is 1 if this happens and 0 otherwise. However, cr (X) is not definitive for a given condition X due to random reflections and refractions on the optical path. Therefore, the intrinsic lethal degree of condition X is assessed by obtaining the average of cr (X) for n tests such as the following equation 12.

Figure 0006874239
ここで、cri(X)は第iの試験における結果である。この致命的な度合い(評価関数)C(X)は、致命的な状況への確率的な近似に関して単調に増加し、閾値レベルCth以上の致命的な度合い(評価関数)C(X)を持つ条件Xは、致命的な事象を表す。閾値レベルCthは、0.6に設定され、n個の試験における条件Xの大部分は、結果として、このシミュレーションにおいて致命的な状況となる。nの値は、致命的な度合い(評価関数)C(X)のコンピュータ計算コストと統計上の安定性との間の関係性を考慮して決定される必要がある。致命的な度合い(評価関数)C(X)は、2項式の分布に従い、その相対的標準誤差は、近似的に√(1−C(X))/nC(X)であり、それは、nと致命的な度合い(評価関数)C(X)とで単調に増加する。nは、本発明者らの実験において100に設定される。何故なら、誤差は、致命的な度合い(評価関数)C(X)が1に近接する致命的な条件Xに対して十分に抑制されるからである。
Figure 0006874239
Here, cr i (X) is the result in the i-th test. This fatal degree (evaluation function) C (X) increases monotonically with respect to a stochastic approximation to a fatal situation, and the fatal degree (evaluation function) C (X) above the threshold level C th is increased. The condition X to have represents a fatal event. The threshold level C th is set to 0.6, and most of the conditions X in the n tests result in a fatal situation in this simulation. The value of n needs to be determined in consideration of the relationship between the computer computational cost of the critical degree (evaluation function) C (X) and the statistical stability. The critical degree (evaluation function) C (X) follows the distribution of the binomial equation, and its relative standard error is approximately √ (1-C (X)) / nC (X). It increases monotonically with n and the fatal degree (evaluation function) C (X). n is set to 100 in our experiments. This is because the error is sufficiently suppressed for the fatal condition X whose fatal degree (evaluation function) C (X) is close to 1.

本発明者らは、出力X’が次の数13のように条件Xで中心に置かれる多変数の独立分布されたガウスによってランダムに与えられる、次の遷移関数Tδ(X)を使用する。 We use the following transition function Tδ (X), where the output X'is randomly given by a multivariable independently distributed Gaussian centered under condition X, as in equation 13.

Figure 0006874239
ここで、d=4であり、Σは、次の数14で示される。
Figure 0006874239
Here, d = 4, and Σ T is represented by the following equation 14.

Figure 0006874239
、d、dα、dβは、それぞれ、光挙動の空間又は角度的分解能であって、それらは、可視光線の波長と望遠鏡のスケールとに基づいて、光学において知られている。ハイパーパラメータδは、条件Xから新しい条件X’の偏差を支配する。もしハイパーパラメータδが大き過ぎれば、新しい条件X’が条件Xからそれる範囲が、新しい条件X’が条件Xに近接する致命的な事象を見落としてしまう。もしハイパーパラメータδが小さ過ぎれば、新しい条件X’はほとんど条件Xの近傍に残って、条件Xから離れた致命的な事象をほとんど見つけられない。従って、試行錯誤接近方法を使用して、ハイパーパラメータδの値を適切に調整する必要がある。
Figure 0006874239
d x , dy , d α , d β are the spatial or angular resolutions of light behavior, respectively, and they are known in optics based on the wavelength of visible light and the scale of the telescope. The hyperparameter δ governs the deviation of the new condition X'from the condition X. If the hyperparameter δ is too large, a fatal event in which the new condition X'deviates from the condition X and the new condition X'is close to the condition X is overlooked. If the hyperparameter δ is too small, the new condition X'remains almost in the vicinity of the condition X, and few fatal events away from the condition X can be found. Therefore, it is necessary to adjust the value of hyperparameter δ appropriately by using the trial and error approach method.

ヒストグラム更新の最大数KmaxとMCMC工程の最大数Mmaxを、本発明者らのすべての実験を通して、それぞれ、10および5000に設定した。前者は、Fを単位元に近づけるために十分であり、マルチカノニカル重みG(C)を細かく調整する。後者は、また、MCMCプロセスの十分な緩和を可能とする。調整されるべき最後のパラメータは、致命的な度合い(評価関数)C(X)上のヒストグラム値域の数Bである。最大数Mmax以下の事象は、これらB個の値域上に一様に分散されるので、1つの値域におけるすべての事象の起こる確率は同じであり、1つの値域における事象の数は、その相対的な標準偏差ε≦√(B/Mmax)を持つポアソン分布に従う。本発明者らは、B=20に設定し、それは適度に小さいε=0.05〜0.10を維持する。The maximum number of histogram updates, K max, and the maximum number of MCMC steps, M max , were set to 10 and 5000, respectively, throughout all of our experiments. The former is sufficient to approximate the F to unity, to fine-tune Multicanonical weight G (C i). The latter also allows for sufficient relaxation of the MCMC process. The last parameter to be adjusted is the number B of the histogram range on the critical degree (evaluation function) C (X). Events below the maximum number M max are uniformly dispersed over these B ranges, so the probability of all events occurring in one range is the same, and the number of events in one range is relative to each other. It follows a Poisson distribution with a typical standard deviation ε ≤ √ (B / M max). We set B = 20, which maintains a reasonably small ε = 0.05 to 0.10.

[実施の形態]
次に、実施の形態を用いて、本発明を実施するための形態を説明する。
[Embodiment]
Next, an embodiment for carrying out the present invention will be described using the embodiment.

[実験セットアップ]
本発明者らは、シノプシス社(Synopsys, Inc)によって発売された、Light Toolsという名前の照明設計解析ソフトウェアを使用した。このソフトウェアは、光学設計および解析において広く利用されている。このソフトウェアはモンテカルロ光線追跡が可能である。目的の光学系は、設計された望遠鏡の本物スケールの実物大模型である。本発明者らは、経験的に、2つの光路が、望遠鏡の幾何学的対称性のために、受光面15の2つの対称領域で同様の強度の迷光を引き起こすことを知っている。
[Experimental setup]
We used a lighting design analysis software called Light Tools released by Synopsys, Inc. This software is widely used in optical design and analysis. This software is capable of Monte Carlo ray tracing. The target optical system is a full-scale model of the designed telescope on a real scale. We have empirically known that the two optical paths cause stray light of similar intensity in the two symmetric regions of the light receiving surface 15 due to the geometric symmetry of the telescope.

このシミュレーションの仮定と条件は、次の通りである。
・本発明者らは、シミュレーションにおいて使用されるモデルが、実際の世界の実物大模型の系の完全な複製であると仮定する。
・迷光を生成するためのメカニズムは、幾何学的光学のみによってよく近似される。
・すべての追跡された光線は、単一の波長によってよく近似される。
・「逆伝播法」が、すべの実験において効率的な解析のために使用される。
・光線追跡は、次の条件のどちらかで停止される。
The assumptions and conditions of this simulation are as follows.
We assume that the model used in the simulation is a perfect replica of the system of a life-size model in the real world.
-The mechanism for producing stray light is well approximated only by geometric optics.
• All tracked rays are well approximated by a single wavelength.
• The "backpropagation method" is used for efficient analysis in all experiments.
-Ray tracing is stopped under either of the following conditions:

−構成の正規化エネルギξが閾値ξthより小さくなった。この閾値ξthは、無視できない相対的光線強度の下限であるとみなされる。実際には、ξthは、元光線エネルギの10−4倍に設定される。- Configuration normalized energy xi] of is smaller than the threshold value xi] th. This threshold ξ th is considered to be the lower limit of the non-negligible relative light intensity. In practice, ξ th is set to 10-4 times the original ray energy.

−光線が、何らかの障害物に遭遇することなく、望遠鏡の外側の無限空間へ到達する。
・反射と屈折は次のように計算される。
-The rays reach the infinite space outside the telescope without encountering any obstacles.
-Reflection and refraction are calculated as follows.

−物体での反射および屈折のモードは、その物体とその表面に与えられたパラメータに従って選択される。 -The mode of reflection and refraction on an object is selected according to the parameters given to that object and its surface.

−物体での反射および屈折の角度は、与えられたパラメータに従って確率的に選択される。 -The angle of reflection and refraction at the object is stochastically selected according to the given parameters.

−ある光線は、どの反射点およびどの屈折点においても分岐せず、入射光が減衰して反射光となる。 -A ray does not branch at any reflection point and any refraction point, and the incident light is attenuated to become reflected light.

上記Algorithm 1を含む主なプログラムを、プログラム言語であるパイソン(Python)によって実装した。MCMC法の各ステップを、Light Toolsシミュレータは、Excel VBAとLight Toolsのユーザインタフェースを介して主プログラムによって実行された。本発明者らの実験における全ての計算を、付加的なハードウェアなしで、3.4GHzのIntel Core i7コアプロセッサと16MBのメモリとを備えた汎用パーソナルコンピュータを使用した実行した。 The main programs including the above Algorithm 1 were implemented by the programming language Python. Each step of the MCMC method was performed by the main program in the Light Tools simulator via the Excel VBA and Light Tools user interfaces. All calculations in our experiments were performed using a general purpose personal computer with a 3.4 GHz Intel Core i7 core processor and 16 MB of memory, without additional hardware.

[実験結果]
本発明者らは、上記[方法論]と上記[セットアップ]を使用して、迷光解析を実施した。図4は、4次元パラメータ空間における迷光の探索の結果を示す。
[Experimental result]
The present inventors performed a stray light analysis using the above [methodology] and the above [setup]. FIG. 4 shows the result of searching for stray light in a four-dimensional parameter space.

図4(a)は、非正規な経路を通過する光線17と受光面15上の到達位置(x,y)の結果ヒストグラムを示す。より高い光線カウントをより明るい色で表している。このヒストグラムは、無視できない非正規の光線、すなわち、迷光の組を表す、2つの重要なピークを示している。 FIG. 4A shows a result histogram of the light rays 17 passing through the non-normal path and the arrival positions (x, y) on the light receiving surface 15. Higher ray counts are represented by brighter colors. This histogram shows two important peaks that represent a non-negligible non-normal ray, a set of stray lights.

図4(b−1)および(b−2)は、それぞれ、この2つのピークの周りの選択された領域に属する光線のヒストグラムを示す。これらは、入射方向(α,β)の空間において表され、明らかに、2つのピークの1つを生成した各経路である、βに関して対称な2つの光路が存在することを示している。これら位置、経路に対して得られた結果と迷光17の強度は、実物大模型の望遠鏡の実験結果で得られた迷光とよく対応する。 4 (b-1) and (b-2) show histograms of the rays belonging to the selected region around the two peaks, respectively. These are represented in the space of the incident direction (α, β), and clearly indicate that there are two optical paths symmetrical with respect to β, which are the paths that produced one of the two peaks. The results obtained for these positions and paths and the intensity of the stray light 17 correspond well with the stray light obtained in the experimental results of a full-scale model telescope.

図5(a)は、この解析のMulticanonical MCMC法における致命的な度合い(評価関数)C(X)上のサンプルされた事象を示すヒストグラムである。図5(a)において、横軸は評価関数C(X)を示し、縦軸はサンプルされた事象を示す。この収束を達成して、図4に示される結果を得るための、シミュレーション試験の総数とそれらの計算時間は、それぞれ、5×10と17.3時間であった。FIG. 5 (a) is a histogram showing sampled events on the critical degree (evaluation function) C (X) in the Multicanonical MCMC method of this analysis. In FIG. 5A, the horizontal axis represents the evaluation function C (X) and the vertical axis represents the sampled event. The total number of simulation tests and their calculation time to achieve this convergence and obtain the results shown in FIG. 4 were 5 × 10 4 and 17.3 hours, respectively.

図5(a)は、評価値を階級とし、各階級のサンプルされた事象(パラメータ)の個数を度数とするヒストグラムを示している。図5(a)のヒストグラムは、階級の最大値が1.0となるように正規化されている。 FIG. 5A shows a histogram in which the evaluation value is a class and the number of sampled events (parameters) of each class is a frequency. The histogram of FIG. 5A is normalized so that the maximum value of the class is 1.0.

[希少事象探索のために特殊化されたMulticanonical MCMC法]
上述したように、この手法は、事象をサンプルするために標準Multicanonical MCMC法に従っており、与えられた確率分布を正確に維持する重みを持つ希少事象を含んでいる。これは、希少事象確率P(R)と、統計物理や他の応用分野におけるその関連する統計値とを正確に解析することが必要である。正確な重みは、統計偏差を避けるために致命的な度合いの領域[Cmin,Cmax]上で種々の事象を生成することによって取得され、したがって、目的ヒストグラムQ(C)、i=1、・・・、Bは、一様に設定される。
[Multicanonical MCMC method specialized for rare event search]
As mentioned above, this technique follows standard Multicanonical MCMC methods to sample events and includes rare events with weights that accurately maintain a given probability distribution. This requires accurate analysis of the rare event probabilities P (R) and their associated statistics in statistical physics and other fields of application. The exact weights are obtained by generating various events over a region of critical degree [C min , C max ] to avoid statistical deviations, and therefore the objective histogram Q (C i ), i = 1. , ..., B are set uniformly.

工学設計における本発明者らの現在の応用を含む、実用的な問題における代わりの目標は、正確な重みを持つ事象の派生物よりもむしろ、多くの希少で致命的な事象を発見することである。これは、図6に示されるように、致命的な事象の領域[Cth,Cmax]を他の領域[Cmin,Cth]よりも重点的に扱うことによって効率的に達成され得る。次の解析は、事象空間Sを全体にまんべんなく探索することなく、致命的な事象が観察される範囲を集中的にもっとも効率的に減らすことを示し、それによって致命的な事象上を重点的に扱う。An alternative goal in practical problems, including our current applications in engineering design, is to discover many rare and deadly events, rather than derivatives of events with precise weights. is there. This can be achieved efficiently by treating the region of fatal events [C th , C max ] more heavily than the other regions [C min , C th ], as shown in FIG. The following analysis shows that the range in which a fatal event is observed is intensively and most efficiently reduced without exploring the event space S evenly, thereby focusing on the fatal event. deal with.

[最適な提案分布]
十分に緩和されたMCMCプロセスは詳細釣り合いを満たし、生成された事象Xは定常状態になっている。従って、最適な提案分布Q(C(X))の条件は、効率的に発生されるべき致命的な事象を、MCMCプロセスの単一の遷移工程の解析から推測するのを可能にする。
[Optimal proposal distribution]
A fully relaxed MCMC process meets detailed balance and the generated event X is in steady state. Thus, the optimal proposed distribution Q (C (X)) condition makes it possible to infer fatal events that should occur efficiently from the analysis of a single transition step in the MCMC process.

本発明者らの目標の致命的な事象は、上記[実験結果]において本発明者らの解析によって論証されたように、事象空間Sに属する多数の領域に位置付けられるのであるから、事象空間SはS=R∪/Rとしてモデル化され得る。ここで、Rは、次の数15

Figure 0006874239
で表され、全てのi≠j、j、j=1、・・・、rに対して、R∩R=0であり、/R=S\Rである。Rは、致命的な事象の集合であり、/Rは、非致命的な事象の集合である。ここで、簡単のためのメタ事象として各事象集合を参照する。各致命的なメタ事象Riは、十分に特定の場所に局在化されており、他の致命的なメタ事象から十分に分離されているとする。Since the fatal event of the goal of the present inventors is positioned in a large number of regions belonging to the event space S as demonstrated by the analysis of the present inventors in the above [experimental result], the event space S. Can be modeled as S = R∪ / R. Here, R is the next number 15
Figure 0006874239
It is represented by, and for all i ≠ j, j, j = 1, ..., R, R iR j = 0 and / R = S \ R. Ri is a set of fatal events and / R is a set of non-fatal events. Here, each event set is referred to as a meta event for simplicity. It is assumed that each fatal meta-event Ri is well localized and well separated from other fatal meta-events.

Q(Y’|Y)を、提案分布Q(X)に従う事象を生成するMCMCプロセスにおいて、メタ事象Yから他のメタ事象Y’への事象Xの遷移確率であると仮定する。上記仮定より、さらに任意の致命的なメタ事象の間の離散遷移は無視されると仮定する。したがって、すべてのRと/Rとの間の非零の遷移確率のみを考察する。次の条件は、総合のメタ事象確率の状態とRと/Rとの間の詳細釣り合いによって保持する。It is assumed that Q (Y'| Y) is the transition probability of event X from meta-event Y to another meta-event Y'in the MCMC process that produces an event that follows the proposed distribution Q (X). From the above assumptions, it is further assumed that discrete transitions between any fatal metaevents are ignored. Therefore, only non-zero transition probabilities between all Ri and / R are considered. The following conditions are retained by detailed balance between the state of the overall meta-event probability and Ri and / R.

Figure 0006874239
Figure 0006874239
Figure 0006874239
Figure 0006874239

任意の希少で致命的な事象を見過ごすのを避けるための最も効率的方法において事象空間Sを考察することは、トータルとしてRと/Rとの間の最も大きい遷移確率を要求する。Considering the event space S in the most efficient way to avoid overlooking any rare and fatal event requires the highest transition probability between Ri and / R in total.

Figure 0006874239
Figure 0006874239

数16を置換し、Q(R)によって微分することよって、最大値に対して次の条件を得る。By substituting the equation 16 and differentiating it by Q (R i ), the following conditions are obtained for the maximum value.

Figure 0006874239
Figure 0006874239

さらにこの式を数17に置換し、すべてのiでの合計をとり、数16の制約を適用することによって、次の簡単な条件を得る。 Further, by substituting this equation with the equation 17, taking the sum of all i's, and applying the constraint of the equation 16, the following simple condition is obtained.

Figure 0006874239
Figure 0006874239

この結果は、Q(R)=Q(/R)=0.5、すなわち、次の数21を導き出す。 This result derives Q (R) = Q (/ R) = 0.5, that is, the following number 21.

Figure 0006874239
Figure 0006874239

Q(C(X))の一様な分布は任意の統計推定の最小偏差を提供するので、上の条件を満足している間、それぞれ、Rと/Rとで一定である、Q(C(X))の次の目標ヒストグラムを使用する。Since the uniform distribution of Q (C (X)) provides the minimum deviation of any statistical inference, it is constant at Ri and / R, respectively, while satisfying the above conditions, Q ( The following target histogram of C (X)) is used.

Figure 0006874239
Figure 0006874239

致命的な事象を規定するために与えられる、Cthは、[Cmin,Cmax]の上限に一般的に近いので、致命的な事象用のQ(C(X))の値は、非致命的な事象用のそれよりも大きい。Are provided to define a fatal events, C th is, [C min, C max] Since generally close to the upper limit of the value of Q for catastrophic events (C (X)), non Greater than that for fatal events.

[Focused Multicanonical MCMC法]
前の[最適な提案分布]において与えられた結果に基づいて、本発明者らは、希少で致命的な事象を効率的に発見するために、「Focused Multicanonical MCMC法」と名づけられた、Multicanonical MCMC法の拡張を提案する。上記表1のAlgorithm 1において、Q(Ci)、i=1、・・・、Bが収束するために必要な目的のヒストグラムの形は、フラットではなく、数22によって与えられる階段関数状である。この変更を除いて、上記アルゴリズムに他の変更は必要ない。
[Focused Multicanonical MCMC method]
Based on the results given in the previous [Optimal Proposed Distribution], we have named the "Focused Multicanonical MCMC method" to efficiently discover rare and fatal events. We propose an extension of the MCMC method. In Algorithm 1 of Table 1 above, the shape of the target histogram required for Q (Ci), i = 1, ..., B to converge is not flat, but a step function given by Equation 22. .. Other than this change, no other changes are required for the above algorithm.

希少で致命的な事象P(R)の確率は、また、容易に計算される。数22におけるQ(C(X))の階段状ヒストグラムは、次の数23によって提供される。 The probability of a rare and fatal event P (R) is also easily calculated. The stepped histogram of Q (C (X)) in Equation 22 is provided by Equation 23 below.

Figure 0006874239
ここで、c(C(X))は、次の数24で表される。
Figure 0006874239
Here, c (C (X)) is represented by the following number 24.

Figure 0006874239
そして、Z=Σc(C(X))P(X)/P(C(X))である。これは、数23を数3に代入し、それをすべてのC、i=1、・・・、Bに対して{X∈S|C(X)∈C}において周辺化することによって、容易に確認される。
Figure 0006874239
Then, a Z C = Σ S c (C (X)) P (X) / P (C (X)). This is done by substituting the number 23 into the number 3 and marginalizing it for all C i , i = 1, ···, B in {X ∈ S | C (X) ∈ C i }. , Easily confirmed.

Figure 0006874239
Figure 0006874239

数3、数23および数24を、数6に代入することによって、次の数26が得られる。 By substituting the numbers 3, 23 and 24 into the number 6, the next number 26 is obtained.

Figure 0006874239
ここで、次の数27の関係が使用される。
Figure 0006874239
Here, the relationship of the following equation 27 is used.

Figure 0006874239
Figure 0006874239

したがって、一度、G(C(Xi))がワン・ランダウ法によって得られると、希少で致命的な事象の確率P(R)は、標準的な方法と同様な方法で計算される。 Therefore, once G (C (Xi)) is obtained by the Wang and Landau method, the probability P (R) of a rare and fatal event is calculated in a manner similar to the standard method.

[Focused Multicanonical MCMC法の実験結果]
図5(b)は、前述したように閾値Cth=0.6を使用した、本発明者らのFocused Multicanonical MCMC法におけるC(X)上でのサンプルされた事象のヒストグラムを示す。このヒストグラムは、階段状の形状をしており、閾値Cthでバランスされている。この収束を達成するための、シミュレーション実験の総数とそれらの計算時間は、それぞれ、6.1×10と20.7時間であった。
[Experimental results of Focused Multicanonical MCMC method]
FIG. 5B shows a histogram of sampled events on C (X) in our Focused Multicanonical MCMC method using the threshold C th = 0.6 as described above. This histogram has a stepped shape and is balanced by the threshold Cth. To achieve this convergence, the total number of simulation experiments and their calculation time, respectively, was 6.1 × 10 4 and 20.7 hours.

図7は、標準的なMulticanonical MCMC法(sm−MCMC)と提案したFocused Multicanonical MCMC法(fm−MCMC)との間のヒストグラム更新上の迷光を引き起こす得られた光線の数の比較を示す。この図から容易に確認されるように、提案した方法によって希少迷光を得るための効率は、標準的なMulticanonical MCMC法のそれよりもほぼ2倍の高効率に収束する。 FIG. 7 shows a comparison of the number of rays obtained that cause stray light on histogram updates between the standard Multicanonical MCMC method (sm-MCMC) and the proposed Focused Multicanonical MCMC method (fm-MCMC). As can be easily confirmed from this figure, the efficiency of obtaining rare stray light by the proposed method converges to almost twice as high efficiency as that of the standard Multicanonical MCMC method.

[他の方法との比較]
表2は、グリッドサーチ、ベイズ最適化、標準的なMulticanonical MCMC法、およびFocused Multicanonical MCMC法の性能比較を示す。グリッドサーチは、全体の事象空間の網羅探索アルゴリズムであって、ベースラインの性能を提供している。本発明者らは、遺伝的アルゴリズムと、シミュレーテッド・アニーシングを評価していない。何故なら、それらは膨大な数のシミュレーションを必要とすることによって実行不可能だからである。
[Comparison with other methods]
Table 2 shows a performance comparison of grid search, Bayesian optimization, standard Multicanonical MCMC method, and Focused Multicanonical MCMC method. Grid search is a comprehensive search algorithm for the entire event space and provides baseline performance. We have not evaluated the genetic algorithm and simulated annealing. Because they are infeasible by requiring a huge number of simulations.

Figure 0006874239
Figure 0006874239

この表2の第1および第2の欄は、シミュレーション試験毎の希少で致命的な事象を発見する確率、すなわち、探索の効率を示す。第1の欄は、位置[x,y]を迷光を観察したところの位置に固定して、迷光を引き起こす入射光の方向[α,β]を探索するときの効率を示す。ベイズ最適化の効率は、グリッドサーチのそれよりも一桁高い大きさがあるのに対して、標準的なMulticanonical MCMC法およびFocused Multicanonical MCMC法の効率は二桁高い大きさがある。表2の第2の欄は、4次元空間の全体を探索するときの効率を示している。大きな探索空間のために、ベイズ最適化は、扱った10の試験数内において、いずれの致命的な事象を見つけることができなかった。これに対して、2つのMulticanonical MCMC法は、1000の試験数内で1つの希少で致命的な事象を成功裏に発見でき、この効率は、グリッドサーチよりも5桁高い大きさである。2次元および4次元の場合のいずれの場合においても、Focused Multicanonical MCMC法の効率は、標準的なMulticanonical MCMC法の2倍である。これらの結果は、[希少事象探索のために特殊化されたMulticanonical MCMC法]における議論に従っている。The first and second columns of this Table 2 show the probability of finding a rare and fatal event for each simulation test, that is, the efficiency of the search. The first column shows the efficiency when the position [x, y] is fixed at the position where the stray light is observed and the direction [α, β] of the incident light causing the stray light is searched. The efficiency of Bayesian optimization is an order of magnitude higher than that of grid search, while the efficiency of standard Multicanonical MCMC and Focused Multicanonical MCMC methods is two orders of magnitude higher. The second column of Table 2 shows the efficiency when searching the entire four-dimensional space. Due to the large search space, Bayesian optimization, in dealing with 10 5 number of tests, I could not find any fatal events. In contrast, the two Multicanonical MCMC methods can successfully discover one rare and fatal event within 1000 trials, an efficiency five orders of magnitude higher than grid search. In both 2D and 4D cases, the efficiency of the Focused Multicanonical MCMC method is twice that of the standard Multicanonical MCMC method. These results follow the discussion in [Multicanonical MCMC method specialized for rare event search].

表2の最後の欄は、希少で致命的な事象の確率P(R)の推定値、すなわち、迷光が起こるリスクを示している。グリッドサーチの推定値は、高い不確実性を含むことが予期される。何故なら、グリッドサーチは、迷光を引き起こす非常に制限された数の光線を発見できるだけで、したがって大きな統計的誤差を導くからである。ベイズ最適化は、この確率を提供できない。何故なら、それは、探索において確率的情報を保有しないからである。標準的なMulticanonical MCMC法およびFocused Multicanonical MCMC法の数8および数26は、グリッドサーチによって得られる確率と同じ位の大きさの持つ推定値を提供する。 The last column of Table 2 shows an estimate of the probability P (R) of a rare and fatal event, i.e. the risk of stray light. Grid search estimates are expected to contain high uncertainty. This is because grid search can only find a very limited number of rays that cause stray light, thus leading to large statistical errors. Bayesian optimization cannot provide this probability. Because it does not have stochastic information in the search. The standard Multicanonical MCMC and Focused Multicanonical MCMC methods numbers 8 and 26 provide estimates as large as the probabilities obtained by grid search.

図8は、上記光学系シミュレータSim(X)を用いる、本発明の第1の実施例による光学系設計支援システム100を示すブロック図である。光学系設計支援システム100は、図1に示すような、望遠鏡のような設計した光学系10において迷光が発生する可能性を発見するシステムである。 FIG. 8 is a block diagram showing an optical system design support system 100 according to the first embodiment of the present invention using the optical system simulator Sim (X). The optical system design support system 100 is a system for discovering the possibility of stray light occurring in the optical system 10 designed like a telescope as shown in FIG.

光学系設計支援システム100は、処理部200と、記憶部300とを備える。処理部200は、例えば、CPU(Central Processing Unit)などのプロセッサから成るが、これに限定されないのは勿論である。記憶部300は、例えば、RAM(random access memory)やROM(read only memory)などから成るが、これらに限定されないのは勿論である。 The optical system design support system 100 includes a processing unit 200 and a storage unit 300. The processing unit 200 includes, for example, a processor such as a CPU (Central Processing Unit), but is not limited to this, of course. The storage unit 300 includes, for example, a RAM (random access memory), a ROM (read only memory), and the like, but of course, the storage unit 300 is not limited thereto.

処理部200は、パラメータ決定部210と、軌跡算出部220と、評価値算出部230とを備える。記憶部300は、パラメータ記憶部310と、光学モデル記憶部320と、評価値記憶部330とを備える。 The processing unit 200 includes a parameter determination unit 210, a locus calculation unit 220, and an evaluation value calculation unit 230. The storage unit 300 includes a parameter storage unit 310, an optical model storage unit 320, and an evaluation value storage unit 330.

パラメータ決定部210は、後述するように、パラメータを決定する。パラメータ決定部210は、各パラメータとして、上述したように、設計した光学系10の受光面15における2次元の位置(x、y)および光線が受光面15に入光する2方向の角度(α、β)の計4次元の変数の組み合わせを決定する。パラメータ記憶部310は、決定したパラメータを記憶する。 The parameter determination unit 210 determines the parameters as described later. As each parameter, the parameter determination unit 210 has a two-dimensional position (x, y) on the light receiving surface 15 of the designed optical system 10 and an angle (α) in two directions in which the light beam enters the light receiving surface 15. , Β), a total of four-dimensional parameter combinations are determined. The parameter storage unit 310 stores the determined parameter.

軌跡算出部220は、決定したパラメータを使用して、後述するように、設計した光学系10における光線の軌跡を算出する。軌跡算出部220は、受光面15から入光口の方向に向けて、光線が逆伝播する軌跡を算出する。光学モデル記憶部320は、設計した光学系10における入光口から受光面15までの光路上に複数の光学部品を配置した光学モデルを記憶する。この光学モデルは、設計した光学系10に対応している。軌跡算出部220は、光学モデル記憶部320に記憶した光学モデルの入力を受け付け、光学モデルにおける光線の挙動を示す軌跡を算出する。 The locus calculation unit 220 calculates the locus of light rays in the designed optical system 10 by using the determined parameters, as will be described later. The locus calculation unit 220 calculates the locus in which the light beam propagates back from the light receiving surface 15 toward the light inlet. The optical model storage unit 320 stores an optical model in which a plurality of optical components are arranged on the optical path from the light inlet to the light receiving surface 15 in the designed optical system 10. This optical model corresponds to the designed optical system 10. The locus calculation unit 220 receives the input of the optical model stored in the optical model storage unit 320, and calculates a locus indicating the behavior of the light beam in the optical model.

評価値算出部230は、算出した軌跡と、理想的な光学系においてパラメータのもとで期待される軌跡との比較に基づいて、パラメータに対して迷光が発生する可能性を示す評価値を算出する。換言すれば、評価値算出部230は、上記設計した光学系10(光学モデル)に応じて一意に規定される評価関数C(X)を持つ。すなわち、上記光学系シミュレータSim(X)は、評価関数C(X)を持つ。評価値算出部230は、算出した軌跡と決定したパラメータとを受け、評価関数C(X)に従って評価値を算出する。評価値記憶部330は、算出した評価値を記憶する。 The evaluation value calculation unit 230 calculates an evaluation value indicating the possibility of stray light being generated for the parameter based on the comparison between the calculated trajectory and the trajectory expected under the parameter in the ideal optical system. To do. In other words, the evaluation value calculation unit 230 has an evaluation function C (X) uniquely defined according to the above-designed optical system 10 (optical model). That is, the optical system simulator Sim (X) has an evaluation function C (X). The evaluation value calculation unit 230 receives the calculated locus and the determined parameter, and calculates the evaluation value according to the evaluation function C (X). The evaluation value storage unit 330 stores the calculated evaluation value.

したがって、パラメータ記憶部310は過去の軌跡の算出に使用したパラメータを記憶する。評価値記憶部330はそのパラメータに対して算出した評価値を記憶する。 Therefore, the parameter storage unit 310 stores the parameters used for calculating the past locus. The evaluation value storage unit 330 stores the evaluation value calculated for the parameter.

パラメータ決定部210は、パラメータ記憶部310に記憶したパラメータおよび評価値記憶部330に記憶した評価値に基づいて、当該評価値が高いほどパラメータに近くなるように、次回以降の軌跡算出に使用するパラメータを決定する。 The parameter determination unit 210 is used for the trajectory calculation from the next time onward so that the higher the evaluation value is, the closer to the parameter is based on the parameter stored in the parameter storage unit 310 and the evaluation value stored in the evaluation value storage unit 330. Determine the parameters.

パラメータ決定部210は、評価値が高いほどパラメータに近い乱数が得られるような乱数の分布を定義し、この分布に基づいて次回以降の軌跡算出に使用するパラメータを生成する。 The parameter determination unit 210 defines a distribution of random numbers so that a random number closer to the parameter can be obtained as the evaluation value is higher, and generates a parameter to be used for trajectory calculation from the next time onward based on this distribution.

図9は、図8に使用されるパラメータ決定部210の構成を詳細に示すブロック図である。パラメータ決定部210は、ヒストグラム算出部212と、乱数分布定義部214と、パラメータ生成部216とから成る。 FIG. 9 is a block diagram showing in detail the configuration of the parameter determination unit 210 used in FIG. The parameter determination unit 210 includes a histogram calculation unit 212, a random number distribution definition unit 214, and a parameter generation unit 216.

以下、図8および図9を参照して、光学系設計支援システム100の動作について更に詳細に説明する。 Hereinafter, the operation of the optical system design support system 100 will be described in more detail with reference to FIGS. 8 and 9.

パラメータ記憶部310は、過去の軌跡の算出に使用したN個のパラメータを記憶する。 The parameter storage unit 310 stores N parameters used for calculating the past trajectory.

パラメータ決定部210は、上記分布に基づいて、次回以降N回の軌跡算出に使用するN個のパラメータをそれぞれ決定する。 Based on the above distribution, the parameter determination unit 210 determines N parameters to be used for the trajectory calculation N times from the next time onward.

軌跡算出部220は、決定したN個のパラメータに対してそれぞれN本の軌跡を算出する。 The locus calculation unit 220 calculates N loci for each of the determined N parameters.

評価値算出部230は、決定したN個のパラメータおよび算出したN本の軌跡に対してそれぞれN個の評価値を算出する。評価値記憶部330は、N個のパラメータに対して算出されたN個の評価値を記憶する。 The evaluation value calculation unit 230 calculates N evaluation values for each of the determined N parameters and the calculated N loci. The evaluation value storage unit 330 stores N evaluation values calculated for N parameters.

ヒストグラム算出部212は、パラメータ記憶部310から過去の軌跡の算出に使用したN個のパラメータを受け、評価値記憶部330からN個のパラメータに対して算出されたN個の評価値を受ける。ヒストグラム算出部212は、評価値を階級とし、各階級のパラメータの個数を度数とするヒストグラムを算出する。 The histogram calculation unit 212 receives N parameters used for calculating the past trajectory from the parameter storage unit 310, and receives N evaluation values calculated for the N parameters from the evaluation value storage unit 330. The histogram calculation unit 212 calculates a histogram in which the evaluation value is a class and the number of parameters of each class is a frequency.

乱数分布定義部214は、算出したヒストグラムに基づいて、次回以降N回の軌跡算出に使用するN個のパラメータを生成するための乱数の分布を、ヒストグラムが実質的に平坦になるような乱数が得られるように定義する(図6の左側の図参照)。 Based on the calculated histogram, the random number distribution definition unit 214 determines the distribution of random numbers for generating N parameters to be used for N times of trajectory calculation from the next time onward, so that the histogram becomes substantially flat. Defined to be obtained (see figure on the left side of FIG. 6).

パラメータ生成部216は、定義した乱数の分布に従って、次回以降の各軌跡算出に使用する各パラメータを生成する。すなわち、パラメータ生成部216は、図5(a)に示されるように、ヒストグラムが実質的に平坦になるようにN個のパラメータを生成する。 The parameter generation unit 216 generates each parameter to be used for each trajectory calculation from the next time onward according to the defined distribution of random numbers. That is, as shown in FIG. 5A, the parameter generation unit 216 generates N parameters so that the histogram is substantially flat.

したがって、パラメータ決定部210は、上記標準的なMulticanonical MCMC法を用いて次回以降N回の軌跡算出に使用するN個のパラメータを決定する。 Therefore, the parameter determination unit 210 determines N parameters to be used for the trajectory calculation of N times from the next time onward by using the standard Multicanonical MCMC method.

より具体的に説明すると、ランダムに乱数(パラメータ)を発生すると、評価値としては、図2の左側の図のように、閾値Cth=0.6より小さい評価値のパラメータの度数が沢山得られることになる。そこで、パラメータ決定部210は、閾値Cth=0.6以上の評価値が得られる乱数(パラメータ)を全て採用するが、閾値Cth=0.6より小さい評価値が得られる乱数(パラメータ)についてはほとんどを破棄し、たまに採用することで、図2の右側の図のように、ヒストグラムが実質的に平坦になるようにN個のパラメータを決定する。More specifically, when random numbers (parameters) are randomly generated, as shown in the figure on the left side of FIG. 2, a large number of parameters with evaluation values smaller than the threshold C th = 0.6 are obtained. Will be. Therefore, the parameter determination unit 210 adopts all random numbers (parameters) that can obtain an evaluation value of the threshold C th = 0.6 or more, but a random number (parameter) that can obtain an evaluation value smaller than the threshold C th = 0.6. As shown in the figure on the right side of FIG. 2, N parameters are determined so that the histogram becomes substantially flat by discarding most of the parameters and adopting them occasionally.

光学系設計支援システム100は、上記動作を複数回繰り返すことによって、図5(a)に示されるような、最終的にヒストグラムが実質的に平坦になるようにN個のパラメータを決定することができる。ここで、「実質的に平坦」とは、各階級における度数が、平均度数に対して所定の誤差の範囲内に入っていることを意味する。これを図5(a)の場合を例に挙げて説明する。平均度数が75であって、所定の誤差が15であるとする。この場合、各階級における度数は、60〜90の範囲に入っている。 By repeating the above operation a plurality of times, the optical system design support system 100 can determine N parameters so that the histogram is finally substantially flat as shown in FIG. 5 (a). it can. Here, "substantially flat" means that the frequency in each class is within a range of a predetermined error with respect to the average frequency. This will be described by taking the case of FIG. 5A as an example. It is assumed that the average frequency is 75 and the predetermined error is 15. In this case, the frequency in each class is in the range of 60 to 90.

以上の説明から明らかなように、本第1の実施例によれば、光学系における迷光を自動的に確実に解析することができる。 As is clear from the above description, according to the first embodiment, the stray light in the optical system can be automatically and surely analyzed.

図10は、上記光学系シミュレータSim(X)を用いる、本発明の第2の実施例による光学系設計支援システム100Aを示すブロック図である。光学系設計支援システム100Aも、図1に示すような、望遠鏡のような設計した光学系10において迷光が発生する可能性を発見するシステムである。 FIG. 10 is a block diagram showing an optical system design support system 100A according to a second embodiment of the present invention using the optical system simulator Sim (X). The optical system design support system 100A is also a system for discovering the possibility of stray light occurring in the optical system 10 designed like a telescope as shown in FIG.

図示の光学系設計支援システム100Aは、処理部の構成および動作が後述するように相違する点を除いて、図8に示した光学系設計支援システム100と同様の構成を有し動作をする。従って、処理部に200Aの参照符号を付している。図8に示されたものと同様の機能を有するものには同一の参照符号を付して、説明の簡略化のためにそれらについて説明を省略する。 The illustrated optical system design support system 100A has the same configuration and operation as the optical system design support system 100 shown in FIG. 8, except that the configuration and operation of the processing unit are different as described later. Therefore, a reference code of 200A is attached to the processing unit. Those having the same functions as those shown in FIG. 8 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted for the sake of brevity.

処理部200Aは、パラメータ決定部の構成および動作が後述するように相違する点を除いて、図8に示した処理部200と同様の構成を有し動作をする。従って、パラメータ決定部に210Aの参照符号を付している。 The processing unit 200A has the same configuration and operation as the processing unit 200 shown in FIG. 8, except that the configuration and operation of the parameter determination unit are different as described later. Therefore, a reference code of 210A is attached to the parameter determination unit.

図11は、図10の光学系設計支援システム100Aに使用されるパラメータ決定部210Aの構成を詳細に示すブロック図である。パラメータ決定部210Aは、乱数分布定義部の構成および動作が後述するように相違する点を除いて、図9に示したパラメータ決定部210と同様の構成を有し動作をする。従って、乱数分布定義部に214Aの参照符号を付している。 FIG. 11 is a block diagram showing in detail the configuration of the parameter determination unit 210A used in the optical system design support system 100A of FIG. The parameter determination unit 210A has the same configuration and operation as the parameter determination unit 210 shown in FIG. 9, except that the configuration and operation of the random number distribution definition unit are different as described later. Therefore, the reference code of 214A is attached to the random number distribution definition unit.

乱数分布定義部214Aは、算出したヒストグラムに基づいて、次回以降N回の軌跡算出に使用するN個のパラメータを生成するための乱数の分布を、ヒストグラムの階級に対して定められた閾値Cth以上の各階級でのパラメータの度数が閾値Cth以下の各階級におけるパラメータの度数よりも高いようなヒストグラムを与える乱数が得られるように、定義する。Random distribution defining unit 214A based on the calculated histogram, the distribution of the random numbers for generating N parameters to be used for path calculation of the next time N times, the threshold C th defined with respect to the class of the histogram It is defined so that a random number that gives a histogram that gives a histogram in which the frequency of the parameter in each of the above classes is higher than the frequency of the parameter in each class below the threshold Cth can be obtained.

尚、図示の例では、ヒストグラムの階級の最大値が1.0となるように正規化されており、閾値Cthは0.6に等しい。In the illustrated example, the maximum value of the histogram class is normalized to be 1.0, and the threshold value C th is equal to 0.6.

乱数分布定義部214Aは、ヒストグラムの階級に対して定められた閾値Cth以上のパラメータの度数の合計と閾値Cth以下のパラメータの度数の合計とが実質的に等しくなるようなヒストグラムを与える乱数が得られるように、分布を定義する。ここで、「実質的に等しい」とは、所定の誤差の範囲内において、閾値Cth以上のパラメータの度数の合計と閾値Cth以下のパラメータの度数の合計とが等しいことを意味する。Random distribution defining unit 214A is a random number that the total of the frequencies of the sum and the threshold value C th following parameters of the frequency threshold C th or more parameters determined for the class of the histogram and gives histogram as substantially equal Define the distribution so that Here, "substantially equal", within a predetermined error range, it means that the threshold value C th or more in total with a threshold value C th following parameters of the frequency parameter frequency total and are equal.

パラメータ生成部216は、定義した乱数の分布に従って、図5(b)に示されるように、次回以降の各軌跡算出に使用する各パラメータを生成する。すなわち、パラメータ生成部216は、図5(b)に示されるように、ヒストグラムが、閾値Cth以上のパラメータの度数の合計と閾値Cth以下のパラメータの度数の合計とが実質的に等しくなるように、N個のパラメータを生成する。The parameter generation unit 216 generates each parameter to be used for each trajectory calculation from the next time onward, as shown in FIG. 5B, according to the defined distribution of random numbers. That is, the parameter generating unit 216, as shown in FIG. 5 (b), the histogram is, the threshold value C th or more in total with a threshold value C th following parameters of the frequency parameter frequency total and of substantially equal As described above, N parameters are generated.

したがって、パラメータ決定部210Aは、上記Focused Multicanonical MCMC法を用いて次回以降N回の軌跡算出に使用するN個のパラメータを決定する。 Therefore, the parameter determination unit 210A determines N parameters to be used for the trajectory calculation of N times from the next time onward by using the Focused Multicanonical MCMC method.

より具体的に説明すると、ランダムに乱数(パラメータ)を発生すると、評価値としては、図2の左側の図のように、閾値Cth=0.6より小さい評価値においてパラメータの度数の高いものが沢山得られることになる。そこで、パラメータ決定部210Aは、閾値Cth=0.6以上の評価値が得られる乱数(パラメータ)を全て採用するが、閾値Cth=0.6より小さい評価値が得られる乱数(パラメータ)についてはほとんどを破棄し、たまに採用する。このことにより、図5(b)に示されるように、パラメータ決定部210Aは、ヒストグラムが、閾値Cth以上のパラメータの度数の合計と閾値Cth以下のパラメータの度数の合計とが実質的に等しくなるようにN個のパラメータを決定する。More specifically, when random numbers (parameters) are randomly generated, the evaluation values are those with a high parameter frequency at an evaluation value smaller than the threshold value C th = 0.6, as shown in the figure on the left side of FIG. Will be obtained in large numbers. Therefore, the parameter determination unit 210A adopts all random numbers (parameters) that can obtain an evaluation value of the threshold value C th = 0.6 or more, but a random number (parameter) that can obtain an evaluation value smaller than the threshold value C th = 0.6. Most of the items are discarded and occasionally adopted. Thus, as shown in FIG. 5 (b), the parameter determination unit 210A, the histogram, the sum of the frequencies of the sum and the threshold value C th following parameters of the frequency threshold C th or more parameters are substantially Determine N parameters so that they are equal.

光学系設計支援システム100Aは、上記動作を複数回繰り返すことによって、図5(b)に示されるような、ヒストグラムが閾値Cth以上のパラメータの度数の合計と閾値Cth以下のパラメータの度数の合計とが実質的に等しくなるようにN個のパラメータを生成することができる。Optical design support system 100A, by repeating several times the operation, as shown in FIG. 5 (b), histogram of the frequency threshold C th or more parameters sum threshold value C th following the frequency parameters N parameters can be generated such that the sum is substantially equal.

なお、本例では、乱数分布定義部214Aは閾値Cthを0.6に設定しているが、乱数分布定義部214Aは、閾値Cthを0.5より大きい値に設定すればよい。但し、乱数分布定義部214Aは、閾値Cthを0.6以上0.8以下の範囲の間に設定することが好ましい。しかしながら、乱数分布定義部214Aは、閾値Cthを0.6の値に設定することがより好ましい。その理由は次の通りである。In this example, the random number distribution definition unit 214A sets the threshold value C th to 0.6, but the random number distribution definition unit 214A may set the threshold value C th to a value larger than 0.5. However, the random number distribution defining unit 214A, it is preferable to set the threshold value C th between the range of 0.6 to 0.8. However, it is more preferable that the random number distribution definition unit 214A sets the threshold value Cth to a value of 0.6. The reason is as follows.

一般に、迷光は1つだけであるとは限らず、上述した対称性等に起因して、複数個ある場合がほとんどである。そのような状況において、もし閾値Cthを0.8より高く設定してしまうと、その閾値Cthより小さい評価値の乱数(パラメータ)のほとんどが破棄されてしまい、他の迷光を探索できる可能性(確率)が非常に低くなってしまうからである。また、閾値Cthを0.6より低く設定しまうと、効率的に複数の迷光を探索できなくなってしまうからである。よって、閾値Cthを0.6の値に設定することが好ましい。In general, the number of stray lights is not limited to one, and in most cases, there are a plurality of stray lights due to the above-mentioned symmetry and the like. In such a situation, if the threshold C th is set higher than 0.8, most of the random numbers (parameters) of the evaluation values smaller than the threshold C th are discarded, and it is possible to search for other stray lights. This is because the sex (probability) becomes very low. Further, if the threshold value C th is set lower than 0.6, it becomes impossible to efficiently search for a plurality of stray lights. Therefore, it is preferable to set the threshold value Cth to a value of 0.6.

以上の説明から明らかなように、本第2の実施例によれば、光学系における複数の迷光を自動的に効率的に解析することができる。 As is clear from the above description, according to the second embodiment, a plurality of stray lights in the optical system can be automatically and efficiently analyzed.

図12は、本発明の第3の実施例による希少事象解析装置100Bを示すブロック図である。希少事象解析装置100Bは、希少事象が発生する可能性を発見する装置である。具体的には、希少事象解析装置100Bは、例えば、図1に示すような、望遠鏡のような設計した光学系10において発生する迷光を希少事象として発見する。しかしながら、希少事象解析装置100Bは、そのような設計した光学系10のシミュレーションだけでなく、他の目的系のシミュレーションにも適用され得る。 FIG. 12 is a block diagram showing a rare event analysis device 100B according to a third embodiment of the present invention. The rare event analysis device 100B is a device that discovers the possibility that a rare event may occur. Specifically, the rare event analysis device 100B discovers, for example, stray light generated in an optical system 10 designed like a telescope as shown in FIG. 1 as a rare event. However, the rare event analysis device 100B can be applied not only to the simulation of the optical system 10 designed as such, but also to the simulation of other target systems.

希少事象解析装置100Bは、処理部200Bと、記憶部300Bとを備える。処理部200Bは、例えば、CPU(Central Processing Unit)などのプロセッサから成るが、これに限定されないのは勿論である。記憶部300Bは、例えば、RAM(random access memory)やROM(read only memory)などから成るが、これらに限定されないのは勿論である。 The rare event analysis device 100B includes a processing unit 200B and a storage unit 300B. The processing unit 200B includes, for example, a processor such as a CPU (Central Processing Unit), but is not limited to this, of course. The storage unit 300B includes, for example, a RAM (random access memory), a ROM (read only memory), and the like, but of course, the storage unit 300B is not limited thereto.

処理部200Bは、パラメータ決定部210Bと、シミュレータ220Bと、評価値取得部230Bとを備える。記憶部300は、パラメータ記憶部310Bと、評価値記憶部330Bとを備える。 The processing unit 200B includes a parameter determination unit 210B, a simulator 220B, and an evaluation value acquisition unit 230B. The storage unit 300 includes a parameter storage unit 310B and an evaluation value storage unit 330B.

シミュレータ220Bは、例えば、上記光学系シミュレータSim(X)であってよい。この場合、シミュレータ220Bは、図8に示されている、光学モデル記憶部320と軌跡算出部220と評価値算出部230との組み合わせで実現され得る。しかしながら、シミュレータ220Bは、上記光学系シミュレータSim(X)には限定されず、他のシミュレータであってよい。シミュレータ220Bは、希少事象が発生する可能性を規定する評価関数C(X)を持つ。 The simulator 220B may be, for example, the above-mentioned optical system simulator Sim (X). In this case, the simulator 220B can be realized by the combination of the optical model storage unit 320, the locus calculation unit 220, and the evaluation value calculation unit 230 shown in FIG. However, the simulator 220B is not limited to the optical system simulator Sim (X), and may be another simulator. The simulator 220B has an evaluation function C (X) that defines the possibility that a rare event will occur.

パラメータ決定部210Bは、提案分布Q(X)に基づいて、毎回の試験k(1≦k≦K)におけるN回のシミュレーションに使用するN個のパラメータXを決定する。N個のパラメータXの各々は、事象を規定する。パラメータ決定部210Bは、N個のパラメータXを1つずつ順次、シミュレータ220Bに供給する。パラメータ記憶部310Bは、決定したパラメータを記憶する。 The parameter determination unit 210B determines N parameters X k to be used for N simulations in each test k (1 ≦ k ≦ K) based on the proposed distribution Q (X). Each of the N parameters X k defines an event. The parameter determination unit 210B sequentially supplies N parameters X k to the simulator 220B one by one. The parameter storage unit 310B stores the determined parameter.

評価値取得部230Bは、N個のパラメータXに対応してシミュレータ220Bから出力されるN個の評価値C(X)を取得する。評価値記憶部330Bは、このN個の評価値を記憶する。The evaluation value acquisition unit 230B acquires N evaluation values C (X k ) output from the simulator 220B corresponding to N parameters X k. The evaluation value storage unit 330B stores these N evaluation values.

パラメータ記憶部310Bは、過去の試験(k−1)のN回のシミュレーションに使用したN個の過去のパラメータXk−1を記憶する。評価値記憶部330Bは、それらN個の過去のパラメータXk−1に対するN回のシミュレーションで取得されたN個の過去の評価値C(Xk−1)を記憶する。 The parameter storage unit 310B stores N past parameters X k-1 used in N simulations of the past test (k-1). The evaluation value storage unit 330B stores N past evaluation values C (X k-1 ) acquired in N simulations for those N past parameters X k-1.

パラメータ決定部210Bは、パラメータ記憶部310Bに記憶されているN個の過去のパラメータXk−1と、評価値記憶部330Bに記憶されているN個の過去の評価値C(Xk−1)とに基づいて、後述するように、今回の試験kにおけるN回のシミュレーションに使用するN個のパラメータXを決定する。The parameter determination unit 210B has N past parameter X k-1 stored in the parameter storage unit 310B and N past evaluation values C (X k-1 ) stored in the evaluation value storage unit 330B. ) And, as will be described later, N parameters X k to be used for N simulations in this test k are determined.

図13は、図12に使用されるパラメータ決定部210Bの構成を詳細に示すブロック図である。パラメータ決定部210Bは、ヒストグラム算出部212Bと、乱数分布定義部214Bと、パラメータ生成部216Bとから成る。 FIG. 13 is a block diagram showing in detail the configuration of the parameter determination unit 210B used in FIG. The parameter determination unit 210B includes a histogram calculation unit 212B, a random number distribution definition unit 214B, and a parameter generation unit 216B.

ヒストグラム算出部212Bは、パラメータ記憶部310Bに記憶されたN個の過去のパラメータXk−1と、評価値記憶部330Bに記憶されたN個の過去の評価値C(Xk−1)とを受ける。ヒストグラム算出部212Bは、評価値を階級とし、各階級のパラメータの個数を度数とするヒストグラムを算出する。The histogram calculation unit 212B includes N past evaluation values X k-1 stored in the parameter storage unit 310B and N past evaluation values C (X k-1 ) stored in the evaluation value storage unit 330B. Receive. The histogram calculation unit 212B calculates a histogram in which the evaluation value is a class and the number of parameters of each class is a frequency.

乱数分布定義部214Bは、算出したヒストグラムに基づいて、今回の試験kのN回のシミュレーションに使用するN個のパラメータXを生成するための乱数の分布を、ヒストグラムの階級に対して定められた閾値Cth以上の各階級でのパラメータの度数が、閾値Cth以下の各階級でのパラメータの度数よりも多くなるようなヒストグラムを与える乱数が得られるように、定義する。Based on the calculated histogram, the random number distribution definition unit 214B determines the distribution of random numbers for generating the N parameters X k used in the N simulations of the test k this time with respect to the histogram class. It is defined so that a random number can be obtained that gives a histogram in which the frequency of the parameter in each class above the threshold C th is higher than the frequency of the parameter in each class below the threshold C th.

尚、図示の例では、ヒストグラムの階級の最大値が1.0となるように正規化されており、閾値Cthは0.6に等しい。In the illustrated example, the maximum value of the histogram class is normalized to be 1.0, and the threshold value C th is equal to 0.6.

乱数分布定義部214Bは、ヒストグラムの階級に対して定められた閾値Cth以上のパラメータの度数の合計と閾値Cth以下のパラメータの度数の合計とが実質的に等しくなるようなヒストグラムを与える乱数が得られるように、分布を定義する。ここで、「実質的に等しい」とは、所定の誤差の範囲内において、閾値Cth以上のパラメータの度数の合計と閾値Cth以下のパラメータの度数の合計とが等しいことを意味する。Random distribution definition unit 214B generates a random number that the sum of the frequencies of the sum and the threshold value C th following parameters of the frequency threshold C th or more parameters determined for the class of the histogram and gives histogram as substantially equal Define the distribution so that Here, "substantially equal", within a predetermined error range, it means that the threshold value C th or more in total with a threshold value C th following parameters of the frequency parameter frequency total and are equal.

パラメータ生成部216Bは、定義した乱数の分布に基づいて、図5(b)に示されるように、今回の試験kにおける各シミュレーションに使用する各パラメータXを生成する。すなわち、パラメータ生成部216Bは、図5(b)に示されるように、ヒストグラムが、閾値Cth以上のパラメータの度数の合計と閾値Cth以下のパラメータの度数の合計とが実質的に等しくなるように、今回の試験kにおけるN回のシミュレーションに使用するN個のパラメータXを生成する。 The parameter generation unit 216B generates each parameter X k to be used for each simulation in the present test k, as shown in FIG. 5B, based on the defined random number distribution. That is, the parameter generating unit 216B, as shown in FIG. 5 (b), the histogram is, the threshold value C th or more in total with a threshold value C th following parameters of the frequency parameter frequency total and of substantially equal As described above, N parameters X k used for N simulations in this test k are generated.

したがって、パラメータ決定部210Bは、上記Focused Multicanonical MCMC法を用いて、今回の試験kにおけるN回のシミュレーションに使用するN個のパラメータXを決定する。Therefore, the parameter determination unit 210B uses the Focused Multicanonical MCMC method to determine N parameters X k to be used for N simulations in the test k this time.

より具体的に説明すると、ランダムに乱数(パラメータ)を発生すると、評価値としては、図2の左側の図のように、閾値Cth=0.6より小さい評価値においてパラメータの度数の高いものが沢山得られることになる。そこで、パラメータ決定部210Bは、閾値Cth=0.6以上の評価値が得られる乱数(パラメータ)を全て採用するが、閾値Cth=0.6より小さい評価値が得られる乱数(パラメータ)についてはほとんどを破棄し、たまに採用する。このことにより、図5(b)に示されるように、パラメータ決定部210Bは、ヒストグラムが、閾値Cth以上のパラメータの度数の合計と閾値Cth以下のパラメータの度数の合計とが実質的に等しくなるように、今回の試験kにおけるN回のシミュレーションに使用するN個のパラメータXを生成する。More specifically, when random numbers (parameters) are randomly generated, the evaluation values are those with a high parameter frequency at an evaluation value smaller than the threshold value C th = 0.6, as shown in the figure on the left side of FIG. Will be obtained in large numbers. Therefore, the parameter determination unit 210B adopts all random numbers (parameters) that can obtain an evaluation value of the threshold value C th = 0.6 or more, but a random number (parameter) that can obtain an evaluation value smaller than the threshold value C th = 0.6. Most of the items are discarded and occasionally adopted. Thus, as shown in FIG. 5 (b), the parameter determination unit 210B, the histogram, the sum of the frequencies of the sum and the threshold value C th following parameters of the frequency threshold C th or more parameters are substantially N parameters X k used for N simulations in this test k are generated so as to be equal.

希少事象解析装置100Bは、上記試験動作をK回繰り返すことによって、図5(b)に示されるような、ヒストグラムが閾値Cth以上のパラメータの度数の合計と閾値Cth以下のパラメータの度数の合計とが実質的に等しくなるように、最終回の試験Kにおいて、N個の最終のパラメータXを生成することができる。Rare event analysis apparatus 100B, by repeating K times the test operation, as shown in FIG. 5 (b), histogram of the frequency threshold C th or more parameters sum threshold value C th following the frequency parameters In the final test K, N final parameters X K can be generated so that the sums are substantially equal.

なお、本例では、乱数分布定義部214Bは閾値Cthを0.6に設定しているが、乱数分布定義部214Bは、閾値Cthを0.5より大きい値に設定すればよい。但し、乱数分布定義部214Bは、閾値Cthを0.6以上0.8以下の範囲の間に設定することが好ましい。しかしながら、乱数分布定義部214Bは、閾値Cthを0.6の値に設定することがより好ましい。その理由は次の通りである。In this example, the random number distribution definition unit 214B sets the threshold value C th to 0.6, but the random number distribution definition unit 214B may set the threshold value C th to a value larger than 0.5. However, the random number distribution definition section 214B, it is preferable to set the threshold value C th between the range of 0.6 to 0.8. However, it is more preferable that the random number distribution definition unit 214B sets the threshold value Cth to a value of 0.6. The reason is as follows.

一般に、希少事象は1つだけであるとは限らず、複数個ある場合がほとんどである。そのような状況において、もし閾値Cthを0.8より高く設定してしまうと、その閾値Cthより小さい評価値(階級)の乱数(パラメータ)のほとんどが破棄されてしまい、他の希少事象を探索できる可能性(確率)が非常に低くなってしまうからである。また、閾値Cthを0.6より低く設定しまうと、効率的に複数の希少事象を探索できなくなってしまうからである。よって、閾値Cthを0.6の値に設定することが好ましい。In general, the number of rare events is not limited to one, and in most cases, there are a plurality of rare events. In such a situation, if the threshold C th is set higher than 0.8, most of the random numbers (parameters) of the evaluation value (class) smaller than the threshold C th are discarded, and other rare events. This is because the possibility (probability) of being able to search for is very low. Further, if the threshold value C th is set lower than 0.6, it becomes impossible to efficiently search for a plurality of rare events. Therefore, it is preferable to set the threshold value Cth to a value of 0.6.

以上の説明から明らかなように、本第3の実施例によれば、目的系における複数の希少事象を自動的に効率的に解析することができる。 As is clear from the above description, according to the third embodiment, it is possible to automatically and efficiently analyze a plurality of rare events in the target system.

なお、本発明は、上記実施例そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。 The present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and at the implementation stage, the components can be modified and embodied within a range that does not deviate from the gist thereof. In addition, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of components.

尚、光学系設計支援システム(希少事象解析装置)の各部は、ハードウェアとソフトウェアとの組み合わせを用いて実現すればよい。ハードウェアとソフトウェアとを組み合わせた形態では、RAM(random access memory)に光学系設計支援(希少事象解析)プログラムが展開され、該光学系設計支援(希少事象解析)プログラムに基づいて、CPU(central processing unit)等のプロセッサのハードウェアを動作させることによって、各部を各種手段として実現する。また、該光学系設計支援(希少事象解析)プログラムは、記録媒体に記録されて頒布されても良い。当該記録媒体に記録された光学系設計支援(希少事象解析)プログラムは、有線、無線、又は記録媒体そのものを介して、メモリに読込まれ、プロセッサ(CPU)等を動作させる。尚、記録媒体を例示すれば、オプティカルディスクや磁気ディスク、半導体メモリ装置、ハードディスクなどが挙げられる。 Each part of the optical system design support system (rare event analysis device) may be realized by using a combination of hardware and software. In the form of combining hardware and software, an optical system design support (rare event analysis) program is deployed in RAM (random access memory), and a CPU (central) is developed based on the optical system design support (rare event analysis) program. By operating the hardware of the processor such as processing unit), each part is realized as various means. Further, the optical system design support (rare event analysis) program may be recorded on a recording medium and distributed. The optical system design support (rare event analysis) program recorded on the recording medium is read into the memory via a wired, wireless, or recording medium itself, and operates a processor (CPU) or the like. Examples of recording media include optical disks, magnetic disks, semiconductor memory devices, hard disks, and the like.

上記第1および第2の実施例を別の表現で説明すれば、光学系設計支援システムとして動作させるコンピュータを、RAMに展開された光学系設計支援プログラムに基づき、パラメータ決定部210、210A、軌跡算出部220、および評価値算出部230の組み合わせとして動作させることで、実現することが可能である。 To explain the first and second embodiments in another expression, the parameter determination units 210, 210A and the locus of a computer operating as an optical system design support system are based on an optical system design support program developed in RAM. This can be achieved by operating as a combination of the calculation unit 220 and the evaluation value calculation unit 230.

上記第3の実施例を別の表現で説明すれば、希少事象解析装置として動作させるコンピュータを、RAMに展開された希少事象解析プログラムに基づき、パラメータ決定部210B、シミュレータ220B、および評価値取得部230Bの組み合わせとして動作させることで、実現することが可能である。 To explain the third embodiment in another expression, the parameter determination unit 210B, the simulator 220B, and the evaluation value acquisition unit are based on the rare event analysis program developed in the RAM of the computer operating as the rare event analysis device. It can be realized by operating as a combination of 230B.

また、本発明の具体的な構成は前述の実施例に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の変更があってもこの発明に含まれる。 Further, the specific configuration of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and is included in the present invention even if there is a change within a range not deviating from the gist of the present invention.

以上、実施の形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施例に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。 Although the present invention has been described above with reference to the embodiments, the present invention is not limited to the above examples. Various changes that can be understood by those skilled in the art can be made within the scope of the present invention in terms of the structure and details of the present invention.

本発明は、光通信やカメラ等の光学系シミュレータと併用して利用可能である。また、本発明は、工学設計における終局条件探索のような他のシミュレータと併用しても利用可能である。 The present invention can be used in combination with an optical system simulator such as an optical communication or a camera. The present invention can also be used in combination with other simulators such as ultimate condition search in engineering design.

この出願は、2017年6月30日に出願された日本出願特願2017−129002を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。 This application claims priority on the basis of Japanese application Japanese Patent Application No. 2017-129002 filed on June 30, 2017, and incorporates all of its disclosures herein.

10 設計した光学系(望遠鏡)
11 第1の鏡
12 第2の鏡
13 第3の鏡
14 平面鏡
15 受光面
16 正規光の光路
17 迷光の光路
100、100A 光学系設計支援システム
100B 希少事象解析装置
200、200A、200B 処理部
210、210A パラメータ決定部
212、212B ヒストグラム算出部
214、214A、214B 乱数分布定義部
216、216B パラメータ生成部
220 軌跡算出部
220B シミュレータ
230 評価値算出部
230B 評価値取得部
300、300B 記憶部
310、310B パラメータ記憶部
320 光学モデル記憶部
330、330B 評価値記憶部
10 Designed optical system (telescope)
11 1st mirror 12 2nd mirror 13 3rd mirror 14 Plane mirror 15 Light receiving surface 16 Normal light path 17 Stray light path 100, 100A Optical system design support system 100B Rare event analyzer 200, 200A, 200B Processing unit 210 , 210A Parameter determination unit 212, 212B histogram calculation unit 214, 214A, 214B Random distribution definition unit 216, 216B Parameter generation unit 220 Trajectory calculation unit 220B Simulator 230 Evaluation value calculation unit 230B Evaluation value acquisition unit 300, 300B Storage unit 310, 310B Parameter storage unit 320 Optical model storage unit 330, 330B Evaluation value storage unit

Claims (10)

希少事象が発生する可能性を発見する希少事象解析装置であって、
提案分布Q(X)に基づいて、毎回の試験k(1≦k≦K)におけるN回のシミュレーションに使用する、各々が事象を規定するN個のパラメータX を決定して、前記N個のパラメータX を1つずつ順次、前記希少事象が発生する可能性を規定する評価関数C(X)を持つシミュレータに供給するパラメータ決定部と、
前記N個のパラメータXに対応して、当該シミュレータから出力されるN個の評価値C(X)を取得する評価値取得部と、を備え、
前記パラメータ決定部は、過去の試験(k−1)のN回のシミュレーションに使用したN個の過去のパラメータXk−1と、該N個の過去のパラメータXk−1に対するN回のシミュレーションで取得されたN個の過去の評価値C(Xk−1)とに基づいて、今回の試験kにおけるN回のシミュレーションに使用するN個のパラメータXを決定し、
前記パラメータ決定部は、
前記N個の過去のパラメータXk−1と前記N個の過去の評価値C(Xk−1)とを入力して、評価値を階級とし、各階級のパラメータの個数を度数とするヒストグラムを算出するヒストグラム算出部と、
該算出したヒストグラムに基づいて、前記今回の試験kにおけるN回のシミュレーションに使用するN個のパラメータXを生成するための乱数の分布を、前記ヒストグラムの階級に対して定められた閾値Cth以上の各階級でのパラメータの度数が、前記閾値Cth以下の各階級でのパラメータの度数よりも多くなるようなヒストグラムを与える乱数が得られるように、定義する乱数分布定義部と、
該定義した乱数の分布に基づいて、前記今回の試験kにおける各シミュレーションに使用する各パラメータXを生成するパラメータ生成部と、
を有する希少事象解析装置。
A rare event analysis device that discovers the possibility of rare events occurring.
Based on the proposed distribution Q (X), N parameters X k , each of which defines an event, to be used for N simulations in each test k (1 ≦ k ≦ K) are determined, and the above N parameters are determined. A parameter determination unit that sequentially supplies the parameters X k of the above to a simulator having an evaluation function C (X) that defines the possibility of the rare event occurring.
Wherein in response to N parameters X k, and an evaluation value acquiring unit that acquires an evaluation value of N that is output from the simulator C (X k),
The parameter determination unit has N simulations of the N past parameters X k-1 used in the N simulations of the past test (k-1) and the N past parameters X k-1. Based on the N past evaluation values C (X k-1 ) obtained in, the N parameters X k to be used for N simulations in this test k were determined.
The parameter determination unit
A histogram in which the N past parameters X k-1 and the N past evaluation values C (X k-1 ) are input, the evaluation value is a class, and the number of parameters of each class is a frequency. Histogram calculation unit that calculates
Based on the calculated histogram, the distribution of random numbers for generating the N parameters X k used in the N simulations in the current test k is set to the threshold Cth determined for the class of the histogram. A random number distribution definition unit that defines a random number that gives a histogram that gives a histogram in which the frequency of the parameters in each of the above classes is greater than the frequency of the parameters in each class below the threshold Cth.
Based on the defined random number distribution, a parameter generation unit that generates each parameter X k used for each simulation in this test k, and a parameter generation unit.
That we have a scarce event analysis apparatus.
前記乱数分布定義部は、所定の誤差の範囲内において、前記ヒストグラムの階級に対して定められた閾値以上のパラメータの度数の合計と前記閾値以下のパラメータの度数の合計とが等しくなるようなヒストグラムを与える乱数が得られるように、前記分布を定義する、請求項に記載の希少事象解析装置。 The random number distribution definition unit, within a predetermined error range, such as the sum of the frequencies of the sum and the threshold value the following parameters of the frequency threshold or more parameters determined for the class of the histogram is equal properly as random numbers to provide a histogram is obtained, defining the distribution, rare event analysis apparatus according to claim 1. 前記階級の最大値が1.0となるように正規化されている場合、前記乱数分布定義部は、前記閾値を0.5より大きい値に設定する、請求項に記載の希少事象解析装置。 The rare event analysis device according to claim 2 , wherein when the maximum value of the class is normalized to be 1.0, the random number distribution definition unit sets the threshold value to a value larger than 0.5. .. 前記乱数分布定義部は、前記閾値を0.6以上0.8以下の範囲の間に設定する、請求項に記載の希少事象解析装置。 The rare event analysis device according to claim 3 , wherein the random number distribution definition unit sets the threshold value in the range of 0.6 or more and 0.8 or less. 前記乱数分布定義部は、前記閾値を0.6の値に設定する、請求項に記載の希少事象解析装置。 The rare event analysis device according to claim 4 , wherein the random number distribution definition unit sets the threshold value to a value of 0.6. コンピュータによって、希少事象が発生する可能性を発見する希少事象解析方法であって、
提案分布Q(X)に基づいて、毎回の試験k(1≦k≦K)におけるN回のシミュレーションに使用する、各々が事象を規定するN個のパラメータXを決定して、前記N個のパラメータXを1つずつ順次、前記希少事象が発生する可能性を規定する評価関数C(X)を持つシミュレータに供給する、パラメータを決定することと、
前記N個のパラメータXに対応して、該シミュレータから出力されるN個の評価値C(X)を取得することと、を含み、
前記パラメータを決定することは、過去の試験(k−1)のN回のシミュレーションに使用したN個の過去のパラメータXk−1と、該N個の過去のパラメータXk−1に対するN回のシミュレーションで取得されたN個の過去の評価値C(Xk−1)とに基づいて、今回の試験kにおけるN回のシミュレーションに使用するN個のパラメータXを決定することであり、
前記パラメータを決定することは、
前記N個の過去のパラメータXk−1と前記N個の過去の評価値C(Xk−1)とを入力して、評価値を階級とし、各階級のパラメータの個数を度数とするヒストグラムを算出することと、
該算出したヒストグラムに基づいて、前記今回の試験kにおけるN回のシミュレーションに使用するN個のパラメータXを生成するための乱数の分布を、前記ヒストグラムの階級に対して定められた閾値Cth以上の各階級でのパラメータの度数が、前記閾値Cth以下の各階級でのパラメータの度数よりも多くなるようなヒストグラムを与える乱数が得られるように、定義することと、
該定義した乱数の分布に基づいて、前記今回の試験kにおける各シミュレーションに使用する各パラメータXを生成することと、
を含む希少事象解析方法。
A rare event analysis method that discovers the possibility of rare events occurring by computer.
Based on the proposed distribution Q (X), N parameters X k , each of which defines an event, to be used for N simulations in each test k (1 ≦ k ≦ K) are determined, and the above N parameters are determined. The parameters X k of the above are sequentially supplied to the simulator having the evaluation function C (X) that defines the possibility of the rare event occurring, and the parameters are determined.
Including the acquisition of N evaluation values C (X k ) output from the simulator corresponding to the N parameters X k.
Determining the parameters is N times for the N past parameters X k-1 used in the N simulations of the past test (k-1) and the N past parameters X k-1 . based on the past evaluation value C (X k-1) of the N acquired by the simulation state, and are able to determine the N parameters X k to be used in the simulation of N times in this study k ,
Determining the parameters
A histogram in which the N past parameters X k-1 and the N past evaluation values C (X k-1 ) are input, the evaluation value is a class, and the number of parameters of each class is a frequency. To calculate and
Based on the calculated histogram, the distribution of random numbers for generating the N parameters X k used in the N simulations in the current test k is set to the threshold value C th determined for the class of the histogram. It is defined so that a random number can be obtained that gives a histogram in which the frequency of the parameter in each of the above classes is greater than the frequency of the parameter in each class below the threshold Cth.
Based on the defined random number distribution, each parameter X k used for each simulation in the present test k is generated, and
Including scarce event analysis methods.
前記定義することは、所定の誤差の範囲内において、前記ヒストグラムの階級に対して定められた閾値以上のパラメータの度数の合計と前記閾値以下のパラメータの度数の合計とが等しくなるようなヒストグラムを与える乱数が得られるように、前記分布を定義することである、請求項6に記載の希少事象解析方法。The definition is a histogram in which the total frequency of the parameters above the threshold value and the total frequency of the parameters below the threshold value are equal within a predetermined error range. The rare event analysis method according to claim 6, wherein the distribution is defined so that a given random number can be obtained. 前記階級の最大値が1.0となるように正規化されている場合、前記定義することは、前記閾値を0.5より大きい値に設定する、請求項7に記載の希少事象解析方法。The rare event analysis method according to claim 7, wherein the definition sets the threshold value to a value greater than 0.5 when the maximum value of the class is normalized to be 1.0. 前記定義することは、前記閾値を0.6以上0.8以下の範囲の間に設定する、請求項8に記載の希少事象解析方法。The definition is the rare event analysis method according to claim 8, wherein the threshold value is set in the range of 0.6 or more and 0.8 or less. コンピュータに、希少事象が発生する可能性を発見する希少事象解析プログラムであって、前記希少事象解析プログラムは、前記コンピュータに、
提案分布Q(X)に基づいて、毎回の試験k(1≦k≦K)におけるN回のシミュレーションに使用する、各々が事象を規定するN個のパラメータX を決定して、前記N個のパラメータX を1つずつ順次、前記希少事象が発生する可能性を規定する評価関数C(X)を持つシミュレータに供給するパラメータ決定手順と、
前記N個のパラメータXに対応して、シミュレータから出力されるN個の評価値C(X)を取得する評価値取得手順と、を実行させ、
前記パラメータ決定手順は、前記コンピュータに、過去の試験(k−1)のN回のシミュレーションに使用したN個の過去のパラメータXk−1と、該N個の過去のパラメータXk−1に対するN回のシミュレーションで取得されたN個の過去の評価値C(Xk−1)とに基づいて、今回の試験kにおけるN回のシミュレーションに使用するN個のパラメータXを決定させるものであり、
前記パラメータ決定手順は、前記コンピュータに、
前記N個の過去のパラメータXk−1と前記N個の過去の評価値C(Xk−1)とを入力して、評価値を階級とし、各階級のパラメータの個数を度数とするヒストグラムを算出するヒストグラム算出手順と、
該算出したヒストグラムに基づいて、前記今回の試験kにおけるN回のシミュレーションに使用するN個のパラメータXを生成するための乱数の分布を、前記ヒストグラムの階級に対して定められた閾値Cth以上の各階級でのパラメータの度数が、前記閾値Cth以下の各階級でのパラメータの度数よりも多くなるようなヒストグラムを与える乱数が得られるように、定義する乱数分布定義手順と、
該定義した乱数の分布に基づいて、前記今回の試験kにおける各シミュレーションに使用する各パラメータXを生成するパラメータ生成手順と、
を実行させる希少事象解析プログラム。
A rare event analysis program that discovers the possibility that a rare event may occur in a computer, and the rare event analysis program is used in the computer.
Based on the proposed distribution Q (X), N parameters X k , each of which defines an event, to be used for N simulations in each test k (1 ≦ k ≦ K) are determined, and the above N parameters are determined. A parameter determination procedure for sequentially supplying the parameters X k of the above to a simulator having an evaluation function C (X) that defines the possibility of the rare event occurring, and
Wherein in response to N parameters X k, the evaluation value obtaining step of obtaining the evaluation value of N which is output from the simulator C (X k), is executed,
The parameter determination procedure is performed on the computer with respect to the N past parameters X k-1 used in the N simulations of the past test (k-1) and the N past parameters X k-1. Based on the N past evaluation values C (X k-1 ) obtained in the N simulations, the N parameters X k used for the N simulations in the current test k are determined. Yes,
The parameter determination procedure is performed on the computer.
A histogram in which the N past parameters X k-1 and the N past evaluation values C (X k-1 ) are input, the evaluation value is a class, and the number of parameters of each class is a frequency. Histogram calculation procedure to calculate
Based on the calculated histogram, the distribution of random numbers for generating the N parameters X k used in the N simulations in the current test k is set to the threshold Cth determined for the class of the histogram. A random number distribution definition procedure and a procedure for defining a random number distribution so as to obtain a random number that gives a histogram in which the frequency of the parameter in each of the above classes is greater than the frequency of the parameter in each class below the threshold Cth.
Based on the defined random number distribution, a parameter generation procedure for generating each parameter X k used for each simulation in the present test k, and a parameter generation procedure.
Nozomi small event analysis program that Ru allowed to run.
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