光學(xué)設(shè)計(jì)的沉迷與愛戀
o\y qf:V8 F g^zz*e ——光學(xué)設(shè)計(jì)何處去 Whither Optical Design? 原文作者 Douglas C. Sinclair 發(fā)表于 Optics and Photonics News, June 2000
y|D-W>0cX3 OoAZ t 由 小馬過河 翻譯，僅供學(xué)習(xí)參考，轉(zhuǎn)載請(qǐng)站內(nèi)信箱聯(lián)系�！�
VzFzVeJ xm<sH!,j 20世紀(jì)可能見證了傳統(tǒng)鏡頭設(shè)計(jì)的生與滅。我所指的傳統(tǒng)鏡頭設(shè)計(jì)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(jì)中，物理光學(xué)僅僅提供了優(yōu)化終點(diǎn)的條件。一旦達(dá)到瑞利極限，這個(gè)設(shè)計(jì)就足夠好了。
,PyPRPk iw EHEi% 直到最近，典型的光學(xué)系統(tǒng)的尺度仍比波長(zhǎng)長(zhǎng)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�，F(xiàn)在的技術(shù)人員談?wù)摴獾牟ㄩL(zhǎng)，相比起他們?cè)O(shè)計(jì)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(shí)，跨越幾何光學(xué)和物理光學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行設(shè)計(jì)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(jì)師的消失”的文章。今天，可以越來越強(qiáng)烈的感覺到專家級(jí)鏡頭設(shè)計(jì)人員數(shù)量減少的問題。
QjUojHz%Z $%J $ 上個(gè)世紀(jì)初，傳統(tǒng)鏡頭設(shè)計(jì)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(jì)，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(jì)的理論與實(shí)踐才真正建立，主要是在歐洲。
{S5D~A*a+ k Nw3Qr 到了計(jì)算機(jī)出現(xiàn)的1950年，今天使用的基本鏡頭設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)優(yōu)化而略有調(diào)整，這一事實(shí)是對(duì)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(jì)算機(jī)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(jì)準(zhǔn)則，這一點(diǎn)并不令人驚訝�，F(xiàn)在的平版印刷鏡頭就是一個(gè)典型。平版印刷鏡頭通常擁有納米級(jí)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(gè)重要環(huán)節(jié)--設(shè)計(jì)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)。
;
>>/}Jw\ Fd0 \T#k 激光和計(jì)算機(jī)這兩個(gè)上世紀(jì)中期的發(fā)明，極大的拓展了光學(xué)設(shè)計(jì)的視野，以至傳統(tǒng)意義上的光學(xué)設(shè)計(jì)被推至一個(gè)次要地位。今天可以這樣說，激光的存在，讓光學(xué)設(shè)計(jì)人員有工作可做；計(jì)算機(jī)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(duì)光學(xué)系統(tǒng)的影響。除開有限的幾個(gè)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(fèi)品技術(shù)。 為了取得市場(chǎng)成功，消費(fèi)品技術(shù)必須同時(shí)“好”和“便宜”。大多數(shù)的設(shè)計(jì)者都好不適應(yīng)工作在這種壓力下：他們對(duì)“好”很熟悉，但不習(xí)慣于“便宜”。將來，設(shè)計(jì)者的任務(wù)不是設(shè)計(jì)出成像質(zhì)量好到極至的鏡頭，而是設(shè)計(jì)象質(zhì)令人滿意，但制造成本最低的鏡頭。這是一個(gè)重要的不同點(diǎn)，它強(qiáng)調(diào)需要全新的設(shè)計(jì)方法論。如果一個(gè)消費(fèi)品的鏡頭被過分設(shè)計(jì)了（象質(zhì)過好），它就會(huì)太貴，而沒有競(jìng)爭(zhēng)力。然而針對(duì)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(jì)的邊界。
*FoPs P~*v}A 公差，是極具挑戰(zhàn)性，同時(shí)也是傳統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)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(jì)算技巧在內(nèi)的設(shè)計(jì)分析方法的轉(zhuǎn)變，這些設(shè)計(jì)方法通常根據(jù)手頭的項(xiàng)目不同而不同。在某些應(yīng)用實(shí)例中，尺寸方面的要求使得鏡頭被放置在波長(zhǎng)量級(jí)尺度的空間。在這種情況下，幾何光學(xué)的設(shè)計(jì)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(jì)算速度太慢。這就是光學(xué)設(shè)計(jì)人員即將遇到的挑戰(zhàn)。
v]KI=!Gs 2HvzMo-4 如果光學(xué)設(shè)計(jì)人員對(duì)整個(gè)光學(xué)領(lǐng)域的知識(shí)缺乏一個(gè)整體的理解，他就無法解決上述問題。為了應(yīng)對(duì)未來的問題，很有必要將鏡頭設(shè)計(jì)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(jì)行業(yè)以外，有這么一種趨勢(shì)：認(rèn)為鏡頭設(shè)計(jì)是一個(gè)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(jì)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(jì)的問題。當(dāng)然，現(xiàn)實(shí)情況是相反的。
X`n *M] ~f%AbDye 98年國(guó)際光學(xué)設(shè)計(jì)大賽的競(jìng)賽題目和色差的優(yōu)化有關(guān)。根據(jù)競(jìng)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(gè)玻璃空氣接觸面。和預(yù)期的一樣，經(jīng)驗(yàn)老道的設(shè)計(jì)者提供了top 5的結(jié)構(gòu)。其中四個(gè)使用了商業(yè)光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，另外一個(gè)使用了內(nèi)部專有的設(shè)計(jì)軟件。盡管，其中三個(gè)人聲稱借助了軟件的全局優(yōu)化功能。但是他們的設(shè)計(jì)結(jié)果反映了他們對(duì)設(shè)計(jì)本身的掌控。從這一點(diǎn)來看，這一結(jié)果和過去二十年間的設(shè)計(jì)比賽是類似的。
o)6udRzBv -
e"XEot~ 下面的兩個(gè)結(jié)構(gòu)就是98年IODC的參賽答案（見下圖）。上面John Isenberg的獲獎(jiǎng)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(duì)復(fù)消色差的理解。圖中，較高折射率的玻璃顯示暖色調(diào)。
QWxl$%`89< _^0)T@ 更令人感興趣的是那些參賽答案中的失敗作品�？雌饋恚渲泻芏鄥①愓邔�(duì)復(fù)消色差的基本原理缺乏了解，或者是，他們?cè)噲D讓軟件替他們思考--在這個(gè)設(shè)計(jì)案例中是行不通的。當(dāng)然，鏡頭的復(fù)消色差并非普通工程師必須熟悉的，但是，我們討論的是一群光學(xué)設(shè)計(jì)的專業(yè)人士。今天頂級(jí)的光學(xué)設(shè)計(jì)師消失以后，他們將接管光學(xué)設(shè)計(jì)工作。很有必要反思一下究竟發(fā)生了什么。很明顯的是，光學(xué)設(shè)計(jì)軟件無法提供設(shè)計(jì)結(jié)果：軟件的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)置功能是不充分的，它需要在設(shè)計(jì)者的指導(dǎo)下工作。
W.U|mNJ$ !HHbd |B_ 隨著光學(xué)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的拓展，這種情況越來越普遍。為了應(yīng)對(duì)這種情況，我們有必要反思光學(xué)設(shè)計(jì)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(gè)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(zhǎng)的時(shí)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(huì)變得比較容易一點(diǎn)，這沒有錯(cuò)。但問題的實(shí)質(zhì)是和光線打交道不比和光波打交道容易。
JYWc3o6 wZUR 事實(shí)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(jiǎn)潔，但當(dāng)你使用Snell定律描述成像系統(tǒng)時(shí)，你會(huì)得到一系列的展開式，它們會(huì)很快變得難以處理。這種情況下，學(xué)生僅僅熟悉了一點(diǎn)近軸光學(xué)的知識(shí)，然后就是胡思亂想的假設(shè)只有嗜好代數(shù)運(yùn)算的鏡頭設(shè)計(jì)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(jì)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(gè)連續(xù)的、非線性的系統(tǒng)，而不是在于代數(shù)運(yùn)算的復(fù)雜。代數(shù)運(yùn)算可以交給計(jì)算機(jī)來完成。
O0<GFL$)& Y3wL EG%,: 從光波的概念出發(fā)，意味著先接觸Huygens原理，然后經(jīng)由Fermat原理到幾何光學(xué)。這種方法會(huì)促使學(xué)生去思考光的本質(zhì)，而不是光線追跡的代數(shù)式。這樣做的優(yōu)點(diǎn)還有，讓學(xué)生理解光波和光線是如何聯(lián)系起來的，同時(shí)還能理解那些經(jīng)由合理的，工程上決定出來的光學(xué)系統(tǒng)的工作實(shí)質(zhì)。如果某天，你手頭的設(shè)計(jì)任務(wù)超過了套裝光學(xué)軟件提供的功能，那么，理解你所做的工作的物理實(shí)質(zhì)就至關(guān)重要。即使將來套裝光學(xué)軟件不斷升級(jí)，自己動(dòng)手，抓住物理實(shí)質(zhì)，拓展需要的功能，這種需求仍然不會(huì)消失。
(vf5qF^ 5B=Wnau Jenkins和White的傻話
TMQu'<?V c )o[3o7 Jenkins和White的“Fundamentals of Optics”出版于1937年，而后73年間不斷重印，它可能是最為廣泛使用的光學(xué)教材了。在光學(xué)領(lǐng)域，有很多衍生的教材，如同樹的枝葉，“Fundamentals of Optics”則是樹根，至少也是樹干。每個(gè)進(jìn)入光學(xué)領(lǐng)域的人都熟悉這本書。但是，這本書的開頭兩句話卻讓我們誤入歧途。
1&}^{ Ys h?:Y\DlU' 書中寫道：光學(xué)，研究光的學(xué)問，習(xí)慣性的被分為三個(gè)領(lǐng)域，每個(gè)領(lǐng)域都有各自不同的理論處理方法。它們是：a.幾何光學(xué)，采用光線的方法，b.物理光學(xué)，關(guān)注光的本質(zhì)，主要是波的理論，c.量子光學(xué)，處理光和物質(zhì)原子的作用，精確的計(jì)算需要量子力學(xué)的方法。
7QkAr ui6 B 問題出在哪兒呢？斷言經(jīng)典光學(xué)和量子光學(xué)是基于不同概念，這沒有問題。問題在于宣稱幾何光學(xué)和物理光學(xué)之間的差異使得各自需要完全不同理論方法來處理。大家都知道，光的傳播遵循Maxwell方程，無論你是采用波面的概念還是波面法線的概念，這一點(diǎn)都不會(huì)改變。盡管Jenkins和White的傻話對(duì)準(zhǔn)備學(xué)習(xí)光學(xué)的學(xué)生是有害的，但真正的問題是，這本教材被某種程度上當(dāng)作光學(xué)領(lǐng)域的圣經(jīng)。真正的光學(xué)設(shè)計(jì)師不會(huì)采用Jenkins和White的教材。
? |9$o/Q}
