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    20世紀(jì)可能見(jiàn)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。 MJS4^*B\1  
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    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(lái)研究成像，兩者并沒(méi)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(wèn)題，但是真正知道如何使用這些工具的人越來(lái)越少。大概二十年前，Warren Smith寫(xiě)了一篇名為“鏡頭設(shè)計(jì)師的消失”的文章。今天，可以越來(lái)越強(qiáng)烈的感覺(jué)到專家級(jí)鏡頭設(shè)計(jì)人員數(shù)量減少的問(wèn)題。 $@kGbf~k  
    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。 UD6D![e  
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    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)。 J+IQvOn_|  
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    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(shuō)，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(kāi)有限的幾個(gè)軍事、視覺(jué)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(lái)，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(guò)分設(shè)計(jì)了（象質(zhì)過(guò)好），它就會(huì)太貴，而沒(méi)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。 S\2QZ[u  
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    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(lái)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(lái)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(wú)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)。 p#HbN#^Hy  
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    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(wú)法解決上述問(wèn)題。為了應(yīng)對(duì)未來(lái)的問(wèn)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(lái)。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(wèn)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(wèn)題。當(dāng)然，現(xiàn)實(shí)情況是相反的。 Nx>WOb98  
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    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(lái)看，這一結(jié)果和過(guò)去二十年間的設(shè)計(jì)比賽是類似的。 FT'_{e!M  
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圖中，較高折射率的玻璃顯示暖色調(diào)。 ro{q':Z3  
    更令人感興趣的是那些參賽答案中的失敗作品。看起來(lái)，其中很多參賽者對(duì)復(fù)消色差的基本原理缺乏了解，或者是，他們?cè)噲D讓軟件替他們思考--在這個(gè)設(shè)計(jì)案例中是行不通的。當(dāng)然，鏡頭的復(fù)消色差并非普通工程師必須熟悉的，但是，我們討論的是一群光學(xué)設(shè)計(jì)的專業(yè)人士。今天頂級(jí)的光學(xué)設(shè)計(jì)師消失以后，他們將接管光學(xué)設(shè)計(jì)工作。很有必要反思一下究竟發(fā)生了什么。很明顯的是，光學(xué)設(shè)計(jì)軟件無(wú)法提供設(shè)計(jì)結(jié)果：軟件的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)置功能是不充分的，它需要在設(shè)計(jì)者的指導(dǎo)下工作。 *oLAO/)n  
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    隨著光學(xué)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的拓展，這種情況越來(lái)越普遍。為了應(yīng)對(duì)這種情況，我們有必要反思光學(xué)設(shè)計(jì)本身，確保我們采用正確的方式教育學(xué)生，使他們有能力應(yīng)付這些挑戰(zhàn)。值得注意的是，從幾何光學(xué)開(kāi)始，然后是物理光學(xué)的次序來(lái)教育學(xué)生不是個(gè)好主意。最好是從波的概念開(kāi)始，然后介紹在器件尺度遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)的時(shí)候，光線是一種很有用的近似。讓學(xué)生由易及難，學(xué)習(xí)會(huì)變得比較容易一點(diǎn)，這沒(méi)有錯(cuò)。但問(wèn)題的實(shí)質(zhì)是和光線打交道不比和光波打交道容易。 $c4Q6w  
    事實(shí)上，從光線概念開(kāi)始的教學(xué)意味著Snell定律的使用。Snell定律優(yōu)雅而簡(jiǎn)潔，但當(dāng)你使用Snell定律描述成像系統(tǒng)時(shí)，你會(huì)得到一系列的展開(kāi)式，它們會(huì)很快變得難以處理。這種情況下，學(xué)生僅僅熟悉了一點(diǎn)近軸光學(xué)的知識(shí)，然后就是胡思亂想的假設(shè)只有嗜好代數(shù)運(yùn)算的鏡頭設(shè)計(jì)專家才可以懂這一門(mén)學(xué)問(wèn)，最后，大部分學(xué)生選擇了放棄努力。光學(xué)設(shè)計(jì)真正的困難之處在于，采用了一些離散的數(shù)值來(lái)描述一個(gè)連續(xù)的、非線性的系統(tǒng)，而不是在于代數(shù)運(yùn)算的復(fù)雜。代數(shù)運(yùn)算可以交給計(jì)算機(jī)來(lái)完成。 [v$_BS#u^3  
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    從光波的概念出發(fā)，意味著先接觸Huygens原理，然后經(jīng)由Fermat原理到幾何光學(xué)。這種方法會(huì)促使學(xué)生去思考光的本質(zhì)，而不是光線追跡的代數(shù)式。這樣做的優(yōu)點(diǎn)還有，讓學(xué)生理解光波和光線是如何聯(lián)系起來(lái)的，同時(shí)還能理解那些經(jīng)由合理的，工程上決定出來(lái)的光學(xué)系統(tǒng)的工作實(shí)質(zhì)。如果某天，你手頭的設(shè)計(jì)任務(wù)超過(guò)了套裝光學(xué)軟件提供的功能，那么，理解你所做的工作的物理實(shí)質(zhì)就至關(guān)重要。即使將來(lái)套裝光學(xué)軟件不斷升級(jí)，自己動(dòng)手，抓住物理實(shí)質(zhì)，拓展需要的功能，這種需求仍然不會(huì)消失。 '^pA%I2D  
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    Jenkins和White的傻話 WbZ{) i  
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    Jenkins和White的“Fundamentals of Optics”出版于1937年，而后73年間不斷重印，它可能是最為廣泛使用的光學(xué)教材了。在光學(xué)領(lǐng)域，有很多衍生的教材，如同樹(shù)的枝葉，“Fundamentalsof Optics”則是樹(shù)根，至少也是樹(shù)干。每個(gè)進(jìn)入光學(xué)領(lǐng)域的人都熟悉這本書(shū)。但是，這本書(shū)的開(kāi)頭兩句話卻讓我們誤入歧途。 z[:UPPbW  
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    書(shū)中寫(xiě)道：光學(xué)，研究光的學(xué)問(wèn)，習(xí)慣性的被分為三個(gè)領(lǐng)域，每個(gè)領(lǐng)域都有各自不同的理論處理方法。它們是：a.幾何光學(xué)，采用光線的方法，b.物理光學(xué)，關(guān)注光的本質(zhì)，主要是波的理論，c.量子光學(xué)，處理光和物質(zhì)原子的作用，精確的計(jì)算需要量子力學(xué)的方法。 ~I<yN`5(a  
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    問(wèn)題出在哪兒呢？斷言經(jīng)典光學(xué)和量子光學(xué)是基于不同概念，這沒(méi)有問(wèn)題。問(wèn)題在于宣稱幾何光學(xué)和物理光學(xué)之間的差異使得各自需要完全不同理論方法來(lái)處理。大家都知道，光的傳播遵循Maxwell方程，無(wú)論你是采用波面的概念還是波面法線的概念，這一點(diǎn)都不會(huì)改變。盡管Jenkins和White的傻話對(duì)準(zhǔn)備學(xué)習(xí)光學(xué)的學(xué)生是有害的，但真正的問(wèn)題是，這本教材被某種程度上當(dāng)作光學(xué)領(lǐng)域的圣經(jīng)。真正的光學(xué)設(shè)計(jì)師不會(huì)采用Jenkins和White的教材。 q H&7Q{  
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  鏡頭設(shè)計(jì)和光學(xué)工程 Pk444_"=  
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  幾年前，Rudolf Kingslake被羅切斯特工程界提名為年度工程師，獲得提名不是因?yàn)镵ingslake在那一年里做了什么，而是褒獎(jiǎng)他一生的專業(yè)成就。當(dāng)我向他祝賀提名是名至實(shí)歸時(shí)，他回答說(shuō)，他感到非常榮幸，而且還有些意外，因?yàn)樗�一直認(rèn)為自己是個(gè)鏡頭設(shè)計(jì)師，而不是光學(xué)工程師。 m[&]#K6  
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    Kingslake很清楚鏡頭設(shè)計(jì)師和光學(xué)工程師之間的區(qū)別。鏡頭設(shè)計(jì)師的主要工作就是平衡像差；光學(xué)工程師則處理系統(tǒng)布局，和市場(chǎng)部門(mén)，機(jī)械部門(mén)討價(jià)還價(jià)，以獲得足夠的空間，使得在物理法則以內(nèi)設(shè)計(jì)是可以實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)我們進(jìn)入新千年時(shí)，這兩者之間的區(qū)別消失了，同時(shí)，也形成了一個(gè)無(wú)人填補(bǔ)的空白。鏡頭設(shè)計(jì)師和光學(xué)工程師都必須直面這一問(wèn)題。 9hG)9X4  
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    鏡頭設(shè)計(jì)專業(yè)本質(zhì)上很可能即將消失。今天的現(xiàn)實(shí)是沒(méi)有幾家公司能夠雇用傳統(tǒng)模式下的全職鏡頭設(shè)計(jì)師。原因是這些公司面臨的不僅僅是傳統(tǒng)鏡頭設(shè)計(jì)中解決的像差平衡問(wèn)題，它們遇到的問(wèn)題更為廣泛。而同時(shí)，光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)化也不是一個(gè)很容易就可以解決的問(wèn)題，最近的光學(xué)設(shè)計(jì)大賽結(jié)果就很清楚的說(shuō)明了這一點(diǎn)。因此，現(xiàn)在非常需要這樣的人，他既可以完成專業(yè)水準(zhǔn)的光學(xué)設(shè)計(jì)，又具有工程上的廣闊視野。 ZM"J5}h  
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    幾年前，日本的貿(mào)易大臣提出了這樣的口號(hào)：“電子是二十世紀(jì)的科學(xué)--光學(xué)是二十一世紀(jì)的科學(xué)”。現(xiàn)在，在世紀(jì)交替的時(shí)候，光學(xué)看起來(lái)發(fā)展得還不錯(cuò)，但我們還要確認(rèn)一下我們走在正確的道路上。我們的確很有可能讓光學(xué)成為二十一世紀(jì)的科學(xué)，但是，它主要還是一門(mén)工程科學(xué)。我們必須明白這一點(diǎn)。 Rfh#JO@%[  
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    將鏡頭設(shè)計(jì)包含到光學(xué)工程中去，這一點(diǎn)并不容易。盡管改變幾何光學(xué)的教學(xué)方法有一定幫助，但這還不夠。更重要的是，提升光學(xué)工程師的光學(xué)設(shè)計(jì)訓(xùn)練水平。過(guò)去的歲月中有很多值得吸取的經(jīng)驗(yàn)，吸取這些經(jīng)驗(yàn)非常重要。但同時(shí)，光學(xué)設(shè)計(jì)新的發(fā)展中也有很多激動(dòng)人心的機(jī)會(huì)。可以肯定的是，世紀(jì)交替的現(xiàn)在就是年輕人進(jìn)入光學(xué)設(shè)計(jì)的絕佳時(shí)機(jī)。

看了有些感受

很好的文章！值得讓人醒思！

看看下

有點(diǎn)懵懂

雖然是十年前的文章，但分析的很透徹，很有遠(yuǎn)見(jiàn)。

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同感，同感啊………………

看完還是有點(diǎn)感觸~有幫助

收藏，細(xì)讀！