[原創(chuàng)]值得認(rèn)真對(duì)待的光學(xué)設(shè)計(jì)方法，變焦設(shè)計(jì)也許沒(méi)有那么困難？ [復(fù)制鏈接]

光學(xué)設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀 GQqw(2Ub}  
一個(gè)科班畢業(yè)的軟件工程師，如果在學(xué)校里系統(tǒng)學(xué)習(xí)了JAVA，C#的基礎(chǔ)，到工作崗位后，熟悉一下公司的代碼規(guī)范和原先的代碼庫(kù)，一個(gè)星期左右就能上手工作；而一個(gè)光學(xué)工程的畢業(yè)生，面對(duì)實(shí)際的設(shè)計(jì)工作，在經(jīng)歷了一段時(shí)間的困惑和迷茫后，會(huì)領(lǐng)悟到一個(gè)事實(shí)：光學(xué)理論和光學(xué)設(shè)計(jì)是兩回事。這里我們只談成像設(shè)計(jì)，對(duì)于非成像光學(xué)設(shè)計(jì)，其實(shí)境況也差不多。 CkoPno  
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成像光學(xué)的底層原理非常簡(jiǎn)單。從斯涅耳推導(dǎo)出折射定律開(kāi)始，一個(gè)折射公式就可以計(jì)算幾乎所有光學(xué)透鏡對(duì)于光線路徑的影響，光學(xué)設(shè)計(jì)的工作用最簡(jiǎn)單的大白話來(lái)說(shuō)就是運(yùn)用折射定律，使得光線按我們的意愿到達(dá)相應(yīng)的位置。 }SitT\%  
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早期，還在牛頓、伽利略時(shí)期，受限于當(dāng)時(shí)的計(jì)算能力，鏡頭設(shè)計(jì)者們期望用通過(guò)最少的計(jì)算獲得一個(gè)鏡頭設(shè)計(jì)結(jié)果。隨著設(shè)計(jì)理論的發(fā)展，設(shè)計(jì)師們發(fā)現(xiàn)了其中的竅門(mén)：只需計(jì)算一根中心視場(chǎng)的邊緣光線和一根邊緣視場(chǎng)的主光線，就可以獲得鏡頭焦距、主面位置、光闌孔位置和大小、入瞳出瞳位置、景深等描述鏡頭性能的框架性數(shù)據(jù)；在這基礎(chǔ)上再計(jì)算兩根邊緣視場(chǎng)的邊緣光線和弧式方向的主光線，就能獲得包括球差、慧差、像散等基礎(chǔ)像差在內(nèi)的像質(zhì)評(píng)估數(shù)據(jù)；基于這些數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)際的焦距、工作距等需求，列出方程，即可求解出鏡頭結(jié)構(gòu)。這些是我們?cè)趯W(xué)習(xí)光學(xué)理論時(shí)的主要理論框架，一系列經(jīng)典鏡頭結(jié)構(gòu)也由此而來(lái)。 'G(N,vu[@  
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工具的革命通常會(huì)帶來(lái)一種技術(shù)的飛躍式發(fā)展，光學(xué)設(shè)計(jì)也一樣。自從計(jì)算機(jī)出現(xiàn)后，由于計(jì)算能力指數(shù)級(jí)的上升，雖然對(duì)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法也有很大的幫助，可以更精準(zhǔn)、更快的求解方程獲得鏡頭結(jié)構(gòu)；但是另一類(lèi)基于大量計(jì)算力的設(shè)計(jì)方法卻更加具有革命性：區(qū)別于通過(guò)計(jì)算直接獲得每個(gè)鏡片的參數(shù)，設(shè)計(jì)師們建立一個(gè)每個(gè)鏡片參數(shù)和我們期望目標(biāo)之間的聯(lián)系，然后改變每個(gè)參數(shù)，觀察評(píng)估值的變化，計(jì)算出改進(jìn)的方向，再重復(fù)上述過(guò)程，迭代出最終的設(shè)計(jì)結(jié)果。這也就是我們常說(shuō)的優(yōu)化的方法。 ,b>cy&ut  
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在優(yōu)化的過(guò)程中，我們真正設(shè)計(jì)的不是每一個(gè)鏡片的參數(shù)，而是設(shè)計(jì)各種“像差”，當(dāng)然這里的像差是廣義的，例如一個(gè)鏡片的邊緣厚度，如果超出了我們的期望值，我們也可以認(rèn)為是一種“像差”。這使得光學(xué)設(shè)計(jì)工作變成了在理論指導(dǎo)下的一種“調(diào)整的技巧”，并且在事實(shí)上降低了入門(mén)門(mén)檻。一個(gè)光學(xué)設(shè)計(jì)工程師不需要再去分配每個(gè)鏡片的光角度、列公式計(jì)算像差，而只需要掌握一些軟件使用的技巧，加上一些耐心和一些運(yùn)氣，就有可能能獲得一個(gè)不錯(cuò)的設(shè)計(jì)結(jié)果，因此這種設(shè)計(jì)方法現(xiàn)在已基本上稱(chēng)為了主流。 `m<="No  

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傳統(tǒng)變焦鏡頭的設(shè)計(jì)方法 2DQ'h}BI  
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然而，時(shí)至今日，還是有不少的設(shè)計(jì)是基于理論計(jì)算獲得的，這尤其在變焦鏡頭設(shè)計(jì)領(lǐng)域。由于變焦鏡頭的復(fù)雜性，其各個(gè)焦距結(jié)構(gòu)之間并不一定存在連續(xù)性，但各個(gè)變焦結(jié)構(gòu)之間又具有很強(qiáng)的相關(guān)性，一般的迭代優(yōu)化方法很難再像以往一樣奏效。當(dāng)我們要尋找一個(gè)可用的初試結(jié)構(gòu)時(shí)，除了去各專(zhuān)利庫(kù)碰碰運(yùn)氣，有時(shí)還得排除專(zhuān)利中的故意挖坑，設(shè)計(jì)師們又必須開(kāi)始學(xué)習(xí)復(fù)雜的變焦理論，計(jì)算各個(gè)變焦組、變倍組、補(bǔ)償組光焦度，綜合各類(lèi)基礎(chǔ)像差，列出方程并求解。這樣的設(shè)計(jì)方法不僅有非常高的設(shè)計(jì)入門(mén)門(mén)檻，一個(gè)不錯(cuò)的變焦鏡頭設(shè)計(jì)可以作為一名碩士甚至博士的畢業(yè)論文，而且即使對(duì)于掌握了這種方法的工程師來(lái)說(shuō)，通過(guò)求解方程也不是一個(gè)很有效率的設(shè)計(jì)方法。 H[@}ri<  
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現(xiàn)在情況有了一些變化。 N[
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常規(guī)工程師在一個(gè)領(lǐng)域內(nèi)通常只會(huì)學(xué)習(xí)一種軟件，例如成像設(shè)計(jì)學(xué)ZEMAX或CODEV，非成像設(shè)計(jì)學(xué)Tracepro、Lighttools或者ASAP，而本人是一個(gè)喜歡嘗試多種設(shè)計(jì)軟件的光學(xué)設(shè)計(jì)師，這一方面是因?yàn)楦鱾�(gè)軟件在不同的領(lǐng)域都有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，另一方面，從各個(gè)軟件的文檔和案例去學(xué)習(xí)和理解光學(xué)設(shè)計(jì)對(duì)我來(lái)說(shuō)是一種很有效的學(xué)習(xí)方法。 w2]1ftY  
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Synopsys是我接觸的第三款成像設(shè)計(jì)軟件，原本我只是想判斷一下其官方宣稱(chēng)的高效率優(yōu)化算法是否真的名副其實(shí)，雖然該軟件在界面上給我的感覺(jué)像回到了二十年前，但是在優(yōu)化算法和處理異常光線上確實(shí)有很強(qiáng)的能力，感覺(jué)像一輛桑塔納搭載了一臺(tái)4.0T的發(fā)動(dòng)機(jī)。而真正讓我驚嘆的是，基于上述的兩項(xiàng)能力，常規(guī)軟件中經(jīng)常出現(xiàn)的一些導(dǎo)致優(yōu)化停滯的狀況可以自動(dòng)排除，因此優(yōu)化過(guò)程更加具有連續(xù)性，這使得自動(dòng)優(yōu)化迭代出一個(gè)變焦透鏡稱(chēng)為了可能。 
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使用SYNOPSYS光學(xué)變焦鏡頭的設(shè)計(jì) vCH>Fj"7  
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，Synopsys使得設(shè)計(jì)“像差”而非設(shè)計(jì)“透鏡”這一思想能夠在變焦領(lǐng)域內(nèi)繼續(xù)實(shí)現(xiàn)。如同定焦鏡頭設(shè)計(jì)一樣，我們不用再去計(jì)算和分配各變倍組光焦度，甚至都不用掌握變焦設(shè)計(jì)理論的基本框架，只需要從”外部“去描述一個(gè)我們希望獲得的鏡頭的性能，例如變焦焦段的范圍，F(xiàn)數(shù)，后焦距、鏡片數(shù)量、光闌孔位置、每個(gè)變焦組的數(shù)量，以及一些常規(guī)的外形尺寸限制，然后讓程序自動(dòng)去尋找合理的結(jié)構(gòu)，剩下的就是從程序計(jì)算的結(jié)果中挑選中意的結(jié)果并進(jìn)行微調(diào)即可。軟件自帶的變焦案例也許不夠具有說(shuō)服力，因此我自己進(jìn)行了一些嘗試。 9Z*`