光學(xué)設(shè)計的沉迷與愛戀 W=Ru?sG=  
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——光學(xué)設(shè)計何處去 Whither Optical Design? 原文作者 Douglas C. Sinclair 發(fā)表于 Optics and Photonics News, June 2000 +SSF=]4+  
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由 小馬過河 翻譯，僅供學(xué)習(xí)參考，轉(zhuǎn)載請站內(nèi)信箱聯(lián)系�！� FU|c[u|z  
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20世紀(jì)可能見證了傳統(tǒng)鏡頭設(shè)計的生與滅。我所指的傳統(tǒng)鏡頭設(shè)計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)計中，物理光學(xué)僅僅提供了優(yōu)化終點的條件。一旦達(dá)到瑞利極限，這個設(shè)計就足夠好了。 Ncu\;K\N  
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直到最近，典型的光學(xué)系統(tǒng)的尺度仍比波長長很多。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研究成像，兩者并沒有多少共同之處。現(xiàn)在的技術(shù)人員談?wù)摴獾牟ㄩL，相比起他們設(shè)計的光學(xué)系統(tǒng)，并不像以前的人認(rèn)為的那么短了。與此同時，跨越幾何光學(xué)和物理光學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行設(shè)計的人卻十分少有。我們擁有工具，可以處理比以前更大范圍，更令人感興趣的問題，但是真正知道如何使用這些工具的人越來越少。大概二十年前，Warren Smith寫了一篇名為“鏡頭設(shè)計師的消失”的文章。今天，可以越來越強烈的感覺到專家級鏡頭設(shè)計人員數(shù)量減少的問題。 el*C8TWlw  
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上個世紀(jì)初，傳統(tǒng)鏡頭設(shè)計的數(shù)學(xué)，物理框架已經(jīng)建立得比較完備。早期的設(shè)計，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)計的理論與實踐才真正建立，主要是在歐洲。 Cu0N/hBT  
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到了計算機出現(xiàn)的1950年，今天使用的基本鏡頭設(shè)計形式已經(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)由計算機優(yōu)化而略有調(diào)整，這一事實是對當(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。采用計算機優(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)計準(zhǔn)則，這一點并不令人驚訝�，F(xiàn)在的平版印刷鏡頭就是一個典型。平版印刷鏡頭通常擁有納米級的畸變象差容限，極高的照明和波前質(zhì)量要求。這種鏡頭是遞進(jìn)發(fā)展中的一個重要環(huán)節(jié)--設(shè)計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)。 o5\nqw^  
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激光和計算機這兩個上世紀(jì)中期的發(fā)明，極大的拓展了光學(xué)設(shè)計的視野，以至傳統(tǒng)意義上的光學(xué)設(shè)計被推至一個次要地位。今天可以這樣說，激光的存在，讓光學(xué)設(shè)計人員有工作可做；計算機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，而在于激光對光學(xué)系統(tǒng)的影響。除開有限的幾個軍事，視覺和成像應(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)迅速的演變成消費品技術(shù)。 為了取得市場成功，消費品技術(shù)必須同時“好”和“便宜”。大多數(shù)的設(shè)計者都好不適應(yīng)工作在這種壓力下：他們對“好”很熟悉，但不習(xí)慣于“便宜”。將來，設(shè)計者的任務(wù)不是設(shè)計出成像質(zhì)量好到極至的鏡頭，而是設(shè)計象質(zhì)令人滿意，但制造成本最低的鏡頭。這是一個重要的不同點，它強調(diào)需要全新的設(shè)計方法論。如果一個消費品的鏡頭被過分設(shè)計了（象質(zhì)過好），它就會太貴，而沒有競爭力。然而針對鏡頭量產(chǎn)方面的優(yōu)化已經(jīng)超越了傳統(tǒng)光學(xué)設(shè)計的邊界。 ]3C&l+m$ot  
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公差，是極具挑戰(zhàn)性，同時也是傳統(tǒng)光學(xué)設(shè)計最為忽略的領(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，隨之而來的就是連同數(shù)值計算技巧在內(nèi)的設(shè)計分析方法的轉(zhuǎn)變，這些設(shè)計方法通常根據(jù)手頭的項目不同而不同。在某些應(yīng)用實例中，尺寸方面的要求使得鏡頭被放置在波長量級尺度的空間。在這種情況下，幾何光學(xué)的設(shè)計方法已經(jīng)無能為力，但是，現(xiàn)階段的基于物理光學(xué)的計算速度太慢。這就是光學(xué)設(shè)計人員即將遇到的挑戰(zhàn)。 I"^ `!8<q  
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如果光學(xué)設(shè)計人員對整個光學(xué)領(lǐng)域的知識缺乏一個整體的理解，他就無法解決上述問題。為了應(yīng)對未來的問題，很有必要將鏡頭設(shè)計人員精細(xì)的方法論和光學(xué)工程師的廣闊視野結(jié)合起來。在光學(xué)設(shè)計行業(yè)以外，有這么一種趨勢：認(rèn)為鏡頭設(shè)計是一個已經(jīng)被解決的問題，那些人相信只要你買上一套光學(xué)設(shè)計軟件，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)計的問題。當(dāng)然，現(xiàn)實情況是相反的。 H1'`* }V  
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98年國際光學(xué)設(shè)計大賽的競賽題目和色差的優(yōu)化有關(guān)。根據(jù)競賽規(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玻璃空氣接觸面。和預(yù)期的一樣，經(jīng)驗老道的設(shè)計者提供了top 5的結(jié)構(gòu)。其中四個使用了商業(yè)光學(xué)設(shè)計軟件，另外一個使用了內(nèi)部專有的設(shè)計軟件。盡管，其中三個人聲稱借助了軟件的全局優(yōu)化功能。但是他們的設(shè)計結(jié)果反映了他們對設(shè)計本身的掌控。從這一點來看，這一結(jié)果和過去二十年間的設(shè)計比賽是類似的。 X
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下面的兩個結(jié)構(gòu)就是98年IODC的參賽答案（見下圖）。上面John Isenberg的獲獎答案性能極為優(yōu)異，而下面不知名作者的答案看起來缺乏對復(fù)消色差的理解。圖中，較高折射率的玻璃顯示暖色調(diào)。 0.-2
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更令人感興趣的是那些參賽答案中的失敗作品�？雌饋恚�其中很多參賽者對復(fù)消色差的基本原理缺乏了解，或者是，他們試圖讓軟件替他們思考--在這個設(shè)計案例中是行不通的。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)計的專業(yè)人士。今天頂級的光學(xué)設(shè)計師消失以后，他們將接管光學(xué)設(shè)計工作。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)計軟件無法提供設(shè)計結(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)計者的指導(dǎo)下工作。 H/p<lp  
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隨著光學(xué)設(shè)計領(lǐng)域的拓展，這種情況越來越普遍。為了應(yīng)對這種情況，我們有必要反思光學(xué)設(shè)計本身，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)開始，然后是物理光學(xué)的次序來教育學(xué)生不是個好主意。最好是從波的概念開始，然后介紹在器件尺度遠(yuǎn)大于波長的時候，光線是一種很有用的近似。讓學(xué)生由易及難，學(xué)習(xí)會變得比較容易一點，這沒有錯。但問題的實質(zhì)是和光線打交道不比和光波打交道容易。 _W4i?Bde  
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事實上，從光線概念開始的教學(xué)意味著Snell定律的使用。Snell定律優(yōu)雅而簡潔，但當(dāng)你使用Snell定律描述成像系統(tǒng)時，你會得到一系列的展開式，它們會很快變得難以處理。這種情況下，學(xué)生僅僅熟悉了一點近軸光學(xué)的知識，然后就是胡思亂想的假設(shè)只有嗜好代數(shù)運算的鏡頭設(shè)計專家才可以懂這一門學(xué)問，最后，大部分學(xué)生選擇了放棄努力。光學(xué)設(shè)計真正的困難之處在于，采用了一些離散的數(shù)值來描述一個連續(xù)的、非線性的系統(tǒng)，而不是在于代數(shù)運算的復(fù)雜。代數(shù)運算可以交給計算機來完成。 8