光学设计的沉迷与爱恋
——光学设计何处去
《Whither Optical Design? 》
原文作者 Douglas C. Sinclair 发表于 Optics and Photonics News, June 2000
由 张靖 翻译,仅供学习参考,谢绝转载。
8 m5p_\& 20世纪可能见证了传统
镜头设计的生与灭。我所指的传统镜头设计是平衡共轴球面系统的象差,获得尽可能好的象质。在传统的镜头设计中,物理光学仅仅提供了优化终点的条件。一旦达到瑞利极限,这个设计就足够好了。
aF8fqu\ WegtyO 直到最近,典型的
光学系统的尺度仍比波长长很多。几何光学的专业人士采用象差和
光线的概念研究折射,物理光学方面的专业人士则使用波的概念来研究成像,两者并没有多少共同之处。现在的技术人员谈论光的波长,相比起他们设计的光学系统,并不像以前的人认为的那么短了。与此同时,跨越几何光学和物理光学领域进行设计的人却十分少有。我们拥有工具,可以处理比以前更大范围,更令人感兴趣的问题,但是真正知道如何使用这些工具的人越来越少。大概二十年前,Warren Smith写了一篇名为“镜头设计师的消失”的文章。今天,可以越来越强烈的感觉到专家级镜头设计人员数量减少的问题。
n-5W*zk1 上个世纪初,传统镜头设计的数学,物理框架已经建立得比较完备。早期的设计,如消色差胶合
透镜,Petzval镜头已经被发展的很好了。但是,直到20世纪的前半,镜头设计的理论与实践才真正建立,主要是在欧洲。
,_|]Ufr!a lT4Hn;tnN 到了计算机出现的1950年,今天使用的基本镜头设计形式已经发展完备。Cook式的三片镜,Petzval镜头和双高斯镜头直到今天还广为使用,当然具体的结构形式经由计算机优化而略有调整,这一事实是对当年的发明者工作的最佳肯定。当然,现代光学系统中也出现了一些全新的结构形式。渐变折射率透镜,衍射透镜以及普遍使用的变焦镜头早已为人知,但直到20世纪下半才发展完备。采用计算机优化,使得今天的镜头可以更加复杂。有意思的是,大多数镜头的结构或多或少的遵循了传统的设计准则,这一点并不令人惊讶。现在的平版印刷镜头就是一个典型。平版印刷镜头通常拥有纳米级的畸变象差容限,极高的
照明和波前质量要求。这种镜头是递进发展中的一个重要环节--设计这种镜头用以制造更快的芯片,更快的芯片用以优化下一代的平版印刷镜头。从另一方面看,这种镜头是double-humped Gauss lenses这种典型结构的一种衍生结构。
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Py gHhh>FFAq 激光和计算机这两个上世纪中期的发明,极大的拓展了光学设计的视野,以至传统意义上的光学设计被推至一个次要地位。今天可以这样说,
激光的存在,让光学设计人员有工作可做;计算机的存在则提供了必要的支持。激光的重要性不在于
激光器本身的特性,而在于激光对光学系统的影响。除开有限的几个军事、视觉和成像应用,光学,直到最近,都是其它科学领域的
服务学科。当我们进入新的世纪,光学迅速的演变成
消费品技术。为了取得市场成功,消费品技术必须同时“好”和“便宜”。大多数的设计者都好不适应工作在这种压力下:他们对“好”很熟悉,但不习惯于“便宜”。将来,设计者的任务不是设计出成像质量好到极至的镜头,而是设计象质令人满意,但制造成本最低的镜头。这是一个重要的不同点,它强调需要全新的设计方法论。如果一个消费品的镜头被过分设计了(象质过好),它就会太贵,而没有竞争力。然而针对镜头量产方面的优化已经超越了传统光学设计的边界。
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C2r jQk*8 公差,是极具挑战性,同时也是传统光学设计最为忽略的领域,如今它非常重要。从产品封装的角度而言,小尺寸越来越具有吸引力。尺寸不断缩小的需求已经将光学系统的尺寸推至非比寻常的结构尺度,随之而来的就是连同数值计算技巧在内的设计分析方法的转变,这些设计方法通常根据手头的项目不同而不同。在某些应用实例中,尺寸方面的要求使得镜头被放置在波长量级尺度的空间。在这种情况下,几何光学的设计方法已经无能为力,但是,现阶段的基于物理光学的计算速度太慢。
这就是光学设计人员即将遇到的挑战。
jATI&oX iM2W] 如果光学设计人员对整个光学领域的知识缺乏一个整体的理解,他就无法解决上述问题。
为了应对未来的问题,很有必要将镜头设计人员精细的方法论和光学工程师的广阔视野结合起来。在光学设计行业以外,有这么一种趋势:认为镜头设计是一个已经被解决的问题,那些人相信只要你买上一套光学设计
软件,然后按一下“全局优化”的按钮,你就可以解决所有镜头设计的问题。当然,现实情况是相反的。
9F6F~::l} ]FD'5p{ 98年
国际光学设计大赛的竞赛题目和色差的优化有关。根据竞赛规则,参加者可以有两种选择:只可以使用很少的面(玻璃空气接触面)和很多种不同的玻璃,或者是很少的几种玻璃和很多个玻璃空气接触面。和预期的一样,经验老道的设计者提供了top 5的结构。其中四个使用了商业光学设计软件,另外一个使用了内部专有的设计软件。尽管,其中三个人声称借助了软件的全局优化功能。但是他们的设计结果反映了他们对设计本身的掌控。从这一点来看,这一结果和过去二十年间的设计比赛是类似的。
+U_=*"@| ]e>RK' 下面的两个结构就是98年IODC的参赛答案(见下图)。上面John Isenberg的获奖答案性能极为优异,而下面不知名作者的答案看起来缺乏对复消色差的理解。
Z -,J)gW 图中,较高折射率的玻璃显示暖色调。
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