光學(xué)設(shè)計(jì)軟件的主要功能在于輸出光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述，指定合乎既定規(guī)格的光學(xué)系統(tǒng)的形狀，位置，材料等等參數(shù)。一個(gè)典型的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件包含三個(gè)主要部分：數(shù)據(jù)輸入，評(píng)價(jià)和優(yōu)化。本文以及后續(xù)文章討論的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件不同于光線追跡程序和CAD程序。光線追跡程序主要關(guān)注于光學(xué)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)，而CAD程序主要用于繪圖。光學(xué)設(shè)計(jì)軟件的核心部分是優(yōu)化功能。優(yōu)化功能可以根據(jù)給定的起始結(jié)構(gòu)衍生出一個(gè)新的結(jié)構(gòu)。在新的結(jié)構(gòu)中，表征系統(tǒng)性能的評(píng)價(jià)函數(shù)取到它的最小值。
50年代和60年代的時(shí)候出現(xiàn)了第一個(gè)實(shí)用的計(jì)算機(jī)光學(xué)設(shè)計(jì)軟件。

70年代出現(xiàn)了幾個(gè)商業(yè)化的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件。從80年代到現(xiàn)在，這些商業(yè)化的軟件不斷的升級(jí)更新。盡管光學(xué)設(shè)計(jì)軟件已經(jīng)了經(jīng)歷了30多年演化，但是在優(yōu)化算法，評(píng)價(jià)方法和用戶界面方面，光學(xué)設(shè)計(jì)軟件仍然需要進(jìn)一步實(shí)質(zhì)性的發(fā)展。
本文將會(huì)描述一個(gè)典型的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件。合適的讀者是具備一般的光學(xué)背景知識(shí)，但并不太熟悉光學(xué)設(shè)計(jì)軟件的功能。我們將會(huì)簡(jiǎn)要描述一些最重要的數(shù)學(xué)概念，但不會(huì)去詳細(xì)的推導(dǎo)它們。我們希望這樣可以讓讀者充分明白光學(xué)設(shè)計(jì)軟件對(duì)他的工作是否有用。
當(dāng)然，市面上有好幾種光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，每種都有其長(zhǎng)處和短處。我們不準(zhǔn)備去評(píng)價(jià)和解釋具體的軟件，而將會(huì)專注于一般光學(xué)軟件所具備的基本功能。一些軟件比另外一些要好一些，但我們也不會(huì)做性能方面的判斷。我們將盡量避免直接或間接的提到特定軟件。
下圖是一個(gè)典型的光學(xué)設(shè)計(jì)項(xiàng)目的流程圖。通常，設(shè)計(jì)者不僅需要輸入起始結(jié)構(gòu)和初始的優(yōu)化數(shù)據(jù)，而且需要持續(xù)的觀察計(jì)算機(jī)的優(yōu)化過程，手工修改鏡頭數(shù)據(jù)或者優(yōu)化數(shù)據(jù)以得到好的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。甚至在鏡頭性能指標(biāo)描述非常細(xì)致的情況下，仍常常需要在設(shè)計(jì)的過程中修改評(píng)價(jià)函數(shù)。這種情況通常發(fā)生在評(píng)價(jià)函數(shù)和實(shí)際性能評(píng)價(jià)相關(guān)性不好的時(shí)候，或者是評(píng)價(jià)函數(shù)的構(gòu)成不佳，或者設(shè)計(jì)者有目的的簡(jiǎn)化評(píng)價(jià)函數(shù)從而提高優(yōu)化速度。
如果當(dāng)前設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的性能還不能滿足規(guī)格要求，我們可以選擇不同的方法來提高性能。根據(jù)方法選擇的不同，可以分成兩種流派。一種力圖使設(shè)計(jì)者和軟件之間的界面盡可能的平滑，強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)過程的交互性。而另外一種想法則試圖使評(píng)價(jià)函數(shù)更加包羅萬象，優(yōu)化功能更加強(qiáng)大，著力減小設(shè)計(jì)者干預(yù)的需要。
本文分作四個(gè)技術(shù)章節(jié)。數(shù)據(jù)輸入一節(jié)討論的是鏡頭數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)里的表示。評(píng)價(jià)一節(jié)討論的是計(jì)算光學(xué)系統(tǒng)性能時(shí)用到的主要技術(shù)。優(yōu)化一節(jié)關(guān)注的是提高系統(tǒng)性能的技術(shù)。軟件的考慮討論了編程相關(guān)的一些問題。
最后一節(jié)，光學(xué)設(shè)計(jì)何處去，總體的評(píng)價(jià)了光學(xué)設(shè)計(jì)的技術(shù)發(fā)展水平。