光学设计，枯燥中的乐趣
al(t-3`< “
光学设计是很枯燥的工作。”
o}
YFDYi 确实,很枯燥。刚入行时，我也这么认为。
-c~nmPEG6 和
软件的关系，一直很拧巴。本应该是左膀右臂的光学设计软件，成了我们斗争的对象：不断的设置繁琐的像差控制
参数，命令软件
优化、再优化，却眼瞅着优化评价数值完全静止，毫无变化……
Ky|d RbK, 死盯着屏幕，沉寂中蕴藏着涌动。
TmvI+AY/ 很多时候，特别想把电脑砸个稀烂吧？
\%K< S 优化了很久很久……能不能获得好的结果，也只能听天由命。
4b,N"w{v 我曾如此枯燥的做了好多年光学设计：某像差不符合设计要求时，只知道添加像差控制操作数，设置巨大无比的权重，优化结果却不尽人意：此像差或许确实有提高，但整个
光学系统却基本崩溃掉了。
~?H _?}e 枯燥的工作状态持续了很久。否极泰来也好，撞大运也好，黑暗中出现了一线光明：偶尔能设计出比较满意的光路了。
GxuFO5wz 随着工作经验的积累和对光学设计工作认知提升，逐渐从最初抱怨软件功能不够强大，转变为愿意花更多的时间去思考：无法获得较好的光学设计结果的原因是什么？
wtu WzHrF 思考结果如下：
27<~m=`}d （1）光学设计原理认知不深；
4S`2")V （2）光学设计经验欠缺；
7D@O:yO （3）对软件优化算法缺乏了解。
V<ziJ7H/ >MauuL,.j 1、光学设计原理
s oRt< 83 以色差校正原理为例，色差校正的关键点在于玻璃的选择。其选取规律如下：
f-E]!\Pg （1）合适的玻璃对，比如K系列和F系列，可以用来消除色差；
=EA*h _"q9 （2）旧的玻璃对组合，
透镜在消除色差的条件下，可获得小的球差和小的彗差，但同时匹兹伐和会明显增大，比相同
焦距的单透镜的匹兹伐和还要大；
Cb%?s （3）新的玻璃对组合，即：高折射率低色散为正片，低折射率高色散的玻璃为负片的胶合透镜组，可降低匹兹伐和，获得较平的像面，然而球差将处于欠校正状态。
Bl F>TI%2 ] bz' ]` 图1、三透镜焦距相同，均为f
RLu y;z （a）透镜为K9材料，其匹兹伐半径为-1.52f
\25 Rq/&w （b）旧玻璃对组合，正透镜为K9，负透镜SF1，其匹兹伐半径为-1.37f
A36 dj （c）新玻璃对组合，正透镜为SSKN5，负透镜LF5，其匹兹伐半径为-2.19f
ps\A\aggML （4）消除二级
光谱，实现复消色差，需选择合适玻璃对，需挑选特种色散玻璃。应选取如图2示中，偏离正常玻璃线的材料，比如FK61，CaF2等。
-R?~Yysd7K Gc^w,n[E 图2、局部色散图
PO%Z.ol9 了解以上原理，在设计光学系统时，就不会犯原则性错误：仅使用一片薄透镜，妄图获取消色差目的；为实现色差、球差、匹兹伐和的最优设计，而不适时的调整玻璃对组合；为实现复消色差，却仅采用普通玻璃……
zYvf}L&] h 光学设计的原理还有其他方面，以上仅仅以色差校正和玻璃选择为例，论述了光学原理在设计过程中的作用：规避低级的、原理性的错误。
O-[ lL"T 2、光学设计经验
F4xYfbwY"] 仍以玻璃选择为例，讲述光学设计过程中，经验对设计工作造成的影响。
Ghs{B8 以三片镜为例：玻璃的折射率，对三片镜光学系统整体性能影响很大，比较三片镜各个专利，不难发现：相似结构，采用K系列玻璃为正透镜的系统，与采用LAK系列玻璃为透镜的系统，获得的光学性能差距巨大。
'vq-~y5^# 有经验的设计师，以某三片镜专利为基础，不增加透镜数量的情况下，为获得更好的像质，必然会调整透镜的材料选取，或者放开透镜材质的限定，通过软件优化、挑选合适玻璃。
6",S$3q 那么，在采用软件优化功能挑选合适玻璃材料时，是将正透镜设置为变量，还是把负透镜设计为变量呢？有经验的设计师，一般会选取玻璃图左上方（即：高折射率低色散）的玻璃作为正透镜，并固定下来，将负透镜设置为变量优化。
66 NJ&a c 为什么选取负透镜为变量进行优化呢？原因有二：
{*Ry T.J （1）优化过程中积累的经验告诉我们：优化负透镜，软件一般会选取高折射率低色散的玻璃作为负透镜。此种玻璃为ZF系列，非常常规的玻璃，价格较低，而选择正透镜材料作为变量优化时，软件一般会挑选低色散玻璃，此类玻璃为特殊色散玻璃，价格昂贵；
&U^6N+l9 （2）通过观察玻璃图可以看出，F系列玻璃数量，远大于K系列玻璃，选择负透镜的材料作为优化对象，有更多的玻璃牌号供挑选。
u 0( H! oKLL~X>!U Rf||(KC< 图3、玻璃材料图
52
? TLID 以上，仅为选择玻璃时的一些经验。
5V;BimI 3、软件优化算法
LmE%`qNg 为提升三片镜或者天塞的光学性能，比如：降低球差，可采用将第一片正透镜分裂为两片透镜、增加透镜数量的方式实现。在操作过程中，如果仅仅以如图4示形式分裂镜片，并利用软件优化，其结果是令人费解的：分裂镜片后，软件优化许久，优化结果居然与原设计效果相差无几。
(RW02%`jjy ; m`k#J? 图4、无效分裂镜片形式
r -&Rjg
Cbv$O o* vP z$jeA 图5、正确分裂镜片形式
9%55R >s$ 这是为什么呢？
2+y<&[A8U 优化软件中，三片镜系统的像差评价函数，已经到达局部最小值（分列前，是全局最小；采用如图4的分裂方式后，是局部最小），虽然增加了变量的数量，软件并不能从评价函数局部最小的低谷中走出，翻越山峰，寻找全局最低点。
$$ma1.t" 无法逃离局部最小，是软件优化算法局限性的最突出体现。
8 h 软件算法基于逐步微调光路，实现光路优化。算法的基础和特性，决定了优化软件在外界干预下，很难跨越局部最小值。
Y3KKskhLx ?:73O `sX: 图6、局部最小与全局最小示意
BQmHYar
1AiqB Rs 光学设计师出手干预优化软件的时候到了！手动修改分裂的两片透镜形状：第一片近似平凸，第二片近似弯月的形状，并观察像差变化，手动微调形状，使前两片分裂镜片接近球差最小状态（两片分裂透镜组合接近球差最小状态，而非整个三片镜光学系统，此时，三片镜光学系统还未优化，分裂的两透镜欠校正球差减小后，光学系统的球差是增大的，为较大的过校正球差），将透镜曲率设置为变量，重新优化，此时，设计软件将成功跨越局部最小，我们会发现，通过优化后，分裂镜片的三片镜系统的带球差将会变小。
JR>#PJ,N- 以上，为了讲明白一些道理，却引入了更多的琐碎的概念，反倒让大家看得更糊涂了吧？或许会让大家觉得光学设计需要掌握很多基本原理，需要积累很多经验。
\0?^%CD+@ 实际上并非如此。对光学设计原理融汇贯通后会发现：光学设计原理的基本理念少的可怜，也非常很容易掌握。而且光学设计的基本原理，几十年未发生本质性的变化，它就在那里。在做了十多年光学设计后，有那么一瞬间，会觉得：光学设计原理，很像老子所说的“道”。就在那里，简单，而遵照此原理，却能衍生出不同的光学系统……
-T3 z@k 如果能通过不断的练习，在工作中遵循光学设计基本规律，是否可以真能达到“以无厚入有间，恢恢乎其于游刃必有余地矣”的境界呢？
5i `q 若如此，光学设计工作，也可以成为一件乐事。
COvcR.*0F 诗有云：高山仰止，景行行止，虽不能至，然心向往之。
' P5t tI#| 即使不能达到如此境界，向往一下，也是好的。
