光學(xué)設(shè)計(jì)的沉迷與愛戀
——光學(xué)設(shè)計(jì)何處去
《Whither Optical Design? 》
原文作者 Douglas C. Sinclair 發(fā)表于 Optics and Photonics News, June 2000
由 張靖 翻譯,僅供學(xué)習(xí)參考,謝絕轉(zhuǎn)載。
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~x 20世紀(jì)可能見證了傳統(tǒng)
鏡頭設(shè)計(jì)的生與滅。我所指的傳統(tǒng)鏡頭設(shè)計(jì)是平衡共軸球面系統(tǒng)的象差,獲得盡可能好的象質(zhì)。在傳統(tǒng)的鏡頭設(shè)計(jì)中,物理光學(xué)僅僅提供了優(yōu)化終點(diǎn)的條件。一旦達(dá)到瑞利極限,這個(gè)設(shè)計(jì)就足夠好了。
_~IR6dKE ~?4PBq 直到最近,典型的
光學(xué)系統(tǒng)的尺度仍比波長(zhǎng)長(zhǎng)很多。幾何光學(xué)的專業(yè)人士采用象差和
光線的概念研究折射,物理光學(xué)方面的專業(yè)人士則使用波的概念來研究成像,兩者并沒有多少共同之處。現(xiàn)在的技術(shù)人員談?wù)摴獾牟ㄩL(zhǎng),相比起他們?cè)O(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng),并不像以前的人認(rèn)為的那么短了。與此同時(shí),跨越幾何光學(xué)和物理光學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行設(shè)計(jì)的人卻十分少有。我們擁有工具,可以處理比以前更大范圍,更令人感興趣的問題,但是真正知道如何使用這些工具的人越來越少。大概二十年前,Warren Smith寫了一篇名為“鏡頭設(shè)計(jì)師的消失”的文章。今天,可以越來越強(qiáng)烈的感覺到專家級(jí)鏡頭設(shè)計(jì)人員數(shù)量減少的問題。
*4Thd:7 ` 上個(gè)世紀(jì)初,傳統(tǒng)鏡頭設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué),物理框架已經(jīng)建立得比較完備。早期的設(shè)計(jì),如消色差膠合
透鏡,Petzval鏡頭已經(jīng)被發(fā)展的很好了。但是,直到20世紀(jì)的前半,鏡頭設(shè)計(jì)的理論與實(shí)踐才真正建立,主要是在歐洲。
,Ys %:>? +%T\`6 到了計(jì)算機(jī)出現(xiàn)的1950年,今天使用的基本鏡頭設(shè)計(jì)形式已經(jīng)發(fā)展完備。Cook式的三片鏡,Petzval鏡頭和雙高斯鏡頭直到今天還廣為使用,當(dāng)然具體的結(jié)構(gòu)形式經(jīng)由計(jì)算機(jī)優(yōu)化而略有調(diào)整,這一事實(shí)是對(duì)當(dāng)年的發(fā)明者工作的最佳肯定。當(dāng)然,現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)中也出現(xiàn)了一些全新的結(jié)構(gòu)形式。漸變折射率透鏡,衍射透鏡以及普遍使用的變焦鏡頭早已為人知,但直到20世紀(jì)下半才發(fā)展完備。采用計(jì)算機(jī)優(yōu)化,使得今天的鏡頭可以更加復(fù)雜。有意思的是,大多數(shù)鏡頭的結(jié)構(gòu)或多或少的遵循了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,這一點(diǎn)并不令人驚訝。現(xiàn)在的平版印刷鏡頭就是一個(gè)典型。平版印刷鏡頭通常擁有納米級(jí)的畸變象差容限,極高的
照明和波前質(zhì)量要求。這種鏡頭是遞進(jìn)發(fā)展中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)--設(shè)計(jì)這種鏡頭用以制造更快的芯片,更快的芯片用以優(yōu)化下一代的平版印刷鏡頭。從另一方面看,這種鏡頭是double-humped Gauss lenses這種典型結(jié)構(gòu)的一種衍生結(jié)構(gòu)。
NO "xL, [YF>:ydk 激光和計(jì)算機(jī)這兩個(gè)上世紀(jì)中期的發(fā)明,極大的拓展了光學(xué)設(shè)計(jì)的視野,以至傳統(tǒng)意義上的光學(xué)設(shè)計(jì)被推至一個(gè)次要地位。今天可以這樣說,
激光的存在,讓光學(xué)設(shè)計(jì)人員有工作可做;計(jì)算機(jī)的存在則提供了必要的支持。激光的重要性不在于
激光器本身的特性,而在于激光對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的影響。除開有限的幾個(gè)軍事、視覺和成像應(yīng)用,光學(xué),直到最近,都是其它科學(xué)領(lǐng)域的
服務(wù)學(xué)科。當(dāng)我們進(jìn)入新的世紀(jì),光學(xué)迅速的演變成
消費(fèi)品技術(shù)。為了取得市場(chǎng)成功,消費(fèi)品技術(shù)必須同時(shí)“好”和“便宜”。大多數(shù)的設(shè)計(jì)者都好不適應(yīng)工作在這種壓力下:他們對(duì)“好”很熟悉,但不習(xí)慣于“便宜”。將來,設(shè)計(jì)者的任務(wù)不是設(shè)計(jì)出成像質(zhì)量好到極至的鏡頭,而是設(shè)計(jì)象質(zhì)令人滿意,但制造成本最低的鏡頭。這是一個(gè)重要的不同點(diǎn),它強(qiáng)調(diào)需要全新的設(shè)計(jì)方法論。如果一個(gè)消費(fèi)品的鏡頭被過分設(shè)計(jì)了(象質(zhì)過好),它就會(huì)太貴,而沒有競(jìng)爭(zhēng)力。然而針對(duì)鏡頭量產(chǎn)方面的優(yōu)化已經(jīng)超越了傳統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)的邊界。
@5=oeOg36 I5 o)_nc 公差,是極具挑戰(zhàn)性,同時(shí)也是傳統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)最為忽略的領(lǐng)域,如今它非常重要。從產(chǎn)品封裝的角度而言,小尺寸越來越具有吸引力。尺寸不斷縮小的需求已經(jīng)將光學(xué)系統(tǒng)的尺寸推至非比尋常的結(jié)構(gòu)尺度,隨之而來的就是連同數(shù)值計(jì)算技巧在內(nèi)的設(shè)計(jì)分析方法的轉(zhuǎn)變,這些設(shè)計(jì)方法通常根據(jù)手頭的項(xiàng)目不同而不同。在某些應(yīng)用實(shí)例中,尺寸方面的要求使得鏡頭被放置在波長(zhǎng)量級(jí)尺度的空間。在這種情況下,幾何光學(xué)的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)無能為力,但是,現(xiàn)階段的基于物理光學(xué)的計(jì)算速度太慢。
這就是光學(xué)設(shè)計(jì)人員即將遇到的挑戰(zhàn)。
$+8cc\fq fHE<( 如果光學(xué)設(shè)計(jì)人員對(duì)整個(gè)光學(xué)領(lǐng)域的知識(shí)缺乏一個(gè)整體的理解,他就無法解決上述問題。
為了應(yīng)對(duì)未來的問題,很有必要將鏡頭設(shè)計(jì)人員精細(xì)的方法論和光學(xué)工程師的廣闊視野結(jié)合起來。在光學(xué)設(shè)計(jì)行業(yè)以外,有這么一種趨勢(shì):認(rèn)為鏡頭設(shè)計(jì)是一個(gè)已經(jīng)被解決的問題,那些人相信只要你買上一套光學(xué)設(shè)計(jì)
軟件,然后按一下“全局優(yōu)化”的按鈕,你就可以解決所有鏡頭設(shè)計(jì)的問題。當(dāng)然,現(xiàn)實(shí)情況是相反的。
@r/#-?W p4.wh|n 98年
國(guó)際光學(xué)設(shè)計(jì)大賽的競(jìng)賽題目和色差的優(yōu)化有關(guān)。根據(jù)競(jìng)賽規(guī)則,參加者可以有兩種選擇:只可以使用很少的面(玻璃空氣接觸面)和很多種不同的玻璃,或者是很少的幾種玻璃和很多個(gè)玻璃空氣接觸面。和預(yù)期的一樣,經(jīng)驗(yàn)老道的設(shè)計(jì)者提供了top 5的結(jié)構(gòu)。其中四個(gè)使用了商業(yè)光學(xué)設(shè)計(jì)軟件,另外一個(gè)使用了內(nèi)部專有的設(shè)計(jì)軟件。盡管,其中三個(gè)人聲稱借助了軟件的全局優(yōu)化功能。但是他們的設(shè)計(jì)結(jié)果反映了他們對(duì)設(shè)計(jì)本身的掌控。從這一點(diǎn)來看,這一結(jié)果和過去二十年間的設(shè)計(jì)比賽是類似的。
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