光学设计的现状 629~Uc6]
一个科班毕业的软件工程师,如果在学校里系统学习了JAVA,C#的基础,到工作岗位后,熟悉一下公司的代码规范和原先的代码库,一个星期左右就能上手工作;而一个光学工程的毕业生,面对实际的设计工作,在经历了一段时间的困惑和迷茫后,会领悟到一个事实:光学理论和光学设计是两回事。这里我们只谈成像设计,对于非成像光学设计,其实境况也差不多。 ]^yV`Z8
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成像光学的底层原理非常简单。从斯涅耳推导出折射定律开始,一个折射公式就可以计算几乎所有光学透镜对于光线路径的影响,光学设计的工作用最简单的大白话来说就是运用折射定律,使得光线按我们的意愿到达相应的位置。 pgz:F#>
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早期,还在牛顿、伽利略时期,受限于当时的计算能力,镜头设计者们期望用通过最少的计算获得一个镜头设计结果。随着设计理论的发展,设计师们发现了其中的窍门:只需计算一根中心视场的边缘光线和一根边缘视场的主光线,就可以获得镜头焦距、主面位置、光阑孔位置和大小、入瞳出瞳位置、景深等描述镜头性能的框架性数据;在这基础上再计算两根边缘视场的边缘光线和弧式方向的主光线,就能获得包括球差、慧差、像散等基础像差在内的像质评估数据;基于这些数据,根据实际的焦距、工作距等需求,列出方程,即可求解出镜头结构。这些是我们在学习光学理论时的主要理论框架,一系列经典镜头结构也由此而来。 *<`7|BH 3
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工具的革命通常会带来一种技术的飞跃式发展,光学设计也一样。自从计算机出现后,由于计算能力指数级的上升,虽然对传统的设计方法也有很大的帮助,可以更精准、更快的求解方程获得镜头结构;但是另一类基于大量计算力的设计方法却更加具有革命性:区别于通过计算直接获得每个镜片的参数,设计师们建立一个每个镜片参数和我们期望目标之间的联系,然后改变每个参数,观察评估值的变化,计算出改进的方向,再重复上述过程,迭代出最终的设计结果。这也就是我们常说的优化的方法。 ]+}ZfHp
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在优化的过程中,我们真正设计的不是每一个镜片的参数,而是设计各种“像差”,当然这里的像差是广义的,例如一个镜片的边缘厚度,如果超出了我们的期望值,我们也可以认为是一种“像差”。这使得光学设计工作变成了在理论指导下的一种“调整的技巧”,并且在事实上降低了入门门槛。一个光学设计工程师不需要再去分配每个镜片的光角度、列公式计算像差,而只需要掌握一些软件使用的技巧,加上一些耐心和一些运气,就有可能能获得一个不错的设计结果,因此这种设计方法现在已基本上称为了主流。 J<