光學(xué)設(shè)計的現(xiàn)狀 g P>pb W_ 一個科班畢業(yè)的
軟件工程師，如果在學(xué)校里系統(tǒng)學(xué)習(xí)了JAVA，C#的基礎(chǔ)，到工作崗位后，熟悉一下公司的代碼規(guī)范和原先的代碼庫，一個星期左右就能上手工作；而一個光學(xué)工程的畢業(yè)生，面對實際的設(shè)計工作，在經(jīng)歷了一段時間的困惑和迷茫后，會領(lǐng)悟到一個事實：光學(xué)理論和
光學(xué)設(shè)計是兩回事。這里我們只談成像設(shè)計，對于非成像光學(xué)設(shè)計，其實境況也差不多。
'xS@cF o( Sh#N5kgD 成像光學(xué)的底層原理非常簡單。從斯涅耳推導(dǎo)出折射定律開始，一個折射公式就可以計算幾乎所有光學(xué)
透鏡對于
光線路徑的影響，光學(xué)設(shè)計的工作用最簡單的大白話來說就是運用折射定律，使得光線按我們的意愿到達相應(yīng)的位置。
zY/Oh9`=v #M!u'; bZ 早期，還在牛頓、伽利略時期，受限于當(dāng)時的計算能力，
鏡頭設(shè)計者們期望用通過最少的計算獲得一個鏡頭設(shè)計結(jié)果。隨著設(shè)計理論的發(fā)展，設(shè)計師們發(fā)現(xiàn)了其中的竅門：只需計算一根中心視場的邊緣光線和一根邊緣視場的主光線，就可以獲得鏡頭焦距、主面位置、光闌孔位置和大小、入瞳出瞳位置、景深等描述鏡頭性能的框架性數(shù)據(jù)；在這基礎(chǔ)上再計算兩根邊緣視場的邊緣光線和弧式方向的主光線，就能獲得包括球差、慧差、像散等基礎(chǔ)像差在內(nèi)的像質(zhì)評估數(shù)據(jù)；基于這些數(shù)據(jù)，根據(jù)實際的焦距、工作距等需求，列出方程，即可求解出鏡頭結(jié)構(gòu)。這些是我們在學(xué)習(xí)光學(xué)理論時的主要理論框架，一系列經(jīng)典鏡頭結(jié)構(gòu)也由此而來。
jU-LT8y: d>[i*u,]/ 工具的革命通常會帶來一種技術(shù)的飛躍式發(fā)展，光學(xué)設(shè)計也一樣。自從計算機出現(xiàn)后，由于計算能力指數(shù)級的上升，雖然對傳統(tǒng)的設(shè)計方法也有很大的幫助，可以更精準(zhǔn)、更快的求解方程獲得鏡頭結(jié)構(gòu)；但是另一類基于大量計算力的設(shè)計方法卻更加具有革命性：區(qū)別于通過計算直接獲得每個鏡片的
參數(shù)，設(shè)計師們建立一個每個鏡片參數(shù)和我們期望目標(biāo)之間的聯(lián)系，然后改變每個參數(shù)，觀察評估值的變化，計算出改進的方向，再重復(fù)上述過程，迭代出最終的設(shè)計結(jié)果。這也就是我們常說的優(yōu)化的方法。
3P!OP{` db 99S 在優(yōu)化的過程中，我們真正設(shè)計的不是每一個鏡片的參數(shù)，而是設(shè)計各種“像差”，當(dāng)然這里的像差是廣義的，例如一個鏡片的邊緣厚度，如果超出了我們的期望值，我們也可以認為是一種“像差”。這使得光學(xué)設(shè)計工作變成了在理論指導(dǎo)下的一種“調(diào)整的技巧”，并且在事實上降低了入門門檻。一個光學(xué)設(shè)計工程師不需要再去分配每個鏡片的光角度、列公式計算像差，而只需要掌握一些軟件使用的技巧，加上一些耐心和一些運氣，就有可能能獲得一個不錯的設(shè)計結(jié)果，因此這種設(shè)計方法現(xiàn)在已基本上稱為了主流。
`R0~mx&6G !SuflGx,q 傳統(tǒng)變焦鏡頭的設(shè)計方法 G$,s. MSf RQ=rB9~:ZN 然而，時至今日，還是有不少的設(shè)計是基于理論計算獲得的，這尤其在變焦鏡頭設(shè)計領(lǐng)域。由于變焦鏡頭的復(fù)雜性，其各個焦距結(jié)構(gòu)之間并不一定存在連續(xù)性，但各個變焦結(jié)構(gòu)之間又具有很強的相關(guān)性，一般的迭代優(yōu)化方法很難再像以往一樣奏效。當(dāng)我們要尋找一個可用的初試結(jié)構(gòu)時，除了去各專利庫碰碰運氣，有時還得排除專利中的故意挖坑，設(shè)計師們又必須開始學(xué)習(xí)復(fù)雜的變焦理論，計算各個變焦組、變倍組、補償組光焦度，綜合各類基礎(chǔ)像差，列出方程并求解。這樣的設(shè)計方法不僅有非常高的設(shè)計入門門檻，一個不錯的變焦鏡頭設(shè)計可以作為一名碩士甚至博士的畢業(yè)論文，而且即使對于掌握了這種方法的工程師來說，通過求解方程也不是一個很有效率的設(shè)計方法。
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(AE%eA 現(xiàn)在情況有了一些變化。
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?[ /)[-5n{ 常規(guī)工程師在一個領(lǐng)域內(nèi)通常只會學(xué)習(xí)一種軟件，例如成像設(shè)計學(xué)
ZEMAX或CODEV，非成像設(shè)計學(xué)
Tracepro、
Lighttools或者ASAP，而本人是一個喜歡嘗試多種設(shè)計軟件的光學(xué)設(shè)計師，這一方面是因為各個軟件在不同的領(lǐng)域都有其獨特的優(yōu)勢，另一方面，從各個軟件的文檔和案例去學(xué)習(xí)和理解光學(xué)設(shè)計對我來說是一種很有效的學(xué)習(xí)方法。
qt9jZtx z#gebr~_\ Synopsys是我接觸的第三款成像設(shè)計軟件，原本我只是想判斷一下其官方宣稱的高效率優(yōu)化算法是否真的名副其實，雖然該軟件在界面上給我的感覺像回到了二十年前，但是在優(yōu)化算法和處理異常光線上確實有很強的能力，感覺像一輛桑塔納搭載了一臺4.0T的發(fā)動機。而真正讓我驚嘆的是，基于上述的兩項能力，常規(guī)軟件中經(jīng)常出現(xiàn)的一些導(dǎo)致優(yōu)化停滯的狀況可以自動排除，因此優(yōu)化過程更加具有連續(xù)性，這使得自動優(yōu)化迭代出一個變焦透鏡稱為了可能。
R+.4|1p 5QqU.9M 使用SYNOPSYS光學(xué)變焦鏡頭的設(shè)計 |kZ!-?9Z 簡單來說，Synopsys使得設(shè)計“像差”而非設(shè)計“透鏡”這一思想能夠在變焦領(lǐng)域內(nèi)繼續(xù)實現(xiàn)。如同定焦鏡頭設(shè)計一樣，我們不用再去計算和分配各變倍組光焦度，甚至都不用掌握變焦設(shè)計理論的基本框架，只需要從”外部“去描述一個我們希望獲得的鏡頭的性能，例如變焦焦段的范圍，F(xiàn)數(shù)，后焦距、鏡片數(shù)量、光闌孔位置、每個變焦組的數(shù)量，以及一些常規(guī)的外形尺寸限制，然后讓程序自動去尋找合理的結(jié)構(gòu)，剩下的就是從程序計算的結(jié)果中挑選中意的結(jié)果并進行微調(diào)即可。軟件自帶的變焦案例也許不夠具有說服力，因此我自己進行了一些嘗試。
2#NnA3l]x% k2eKs*WLC 從光行天下論壇中我們可以找到這樣一篇論文：
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http://www.www.whymw.com/read-htm-tid-129744.html #pZeGI|'J 其論述了使用經(jīng)典計算方法獲得一個10倍放大率鏡頭的方法和過程，文中的設(shè)計指標(biāo)如下： (-yif& 
>V8!OaY5n A$p& <# 我參考其最終設(shè)計結(jié)果的鏡片數(shù)量，將這些指標(biāo)翻譯成Synopsys程序后，獲得了一個初試結(jié)構(gòu)，通過簡單的玻璃庫匹配（使用肖特玻璃庫），最終的結(jié)果如下：
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rc L{~ ]lUo 短焦段
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