光學(xué)設(shè)計(jì)的沉迷與愛(ài)戀
B=X_c5 0lcwc"_DZX ——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
=KnHa.% i* 09m^r 由 小馬過(guò)河 翻譯，僅供學(xué)習(xí)參考，轉(zhuǎn)載請(qǐng)站內(nèi)信箱聯(lián)系�！�
u8<Fk
! &#~U1: 0 20世紀(jì)可能見(jiàn)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。
lD _iIe~c m{lS-DlRg 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(zhuān)業(yè)人士采用象差和光線(xiàn)的概念研究折射，物理光學(xué)方面的專(zhuān)業(yè)人士則使用波的概念來(lái)研究成像，兩者并沒(méi)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(wèn)題，但是真正知道如何使用這些工具的人越來(lái)越少。大概二十年前，Warren Smith寫(xiě)了一篇名為“鏡頭設(shè)計(jì)師的消失”的文章。今天，可以越來(lái)越強(qiáng)烈的感覺(jué)到專(zhuān)家級(jí)鏡頭設(shè)計(jì)人員數(shù)量減少的問(wèn)題。
*l0 i}"T^_ )^ )|b5, 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。
Spo[JQ%6 $m+Pl[s 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?xún)?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)。
Hb^ovc0 NX]6RZr- 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(shuō)，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(kāi)有限的幾個(gè)軍事，視覺(jué)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(lái)，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(mǎn)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(guò)分設(shè)計(jì)了（象質(zhì)過(guò)好），它就會(huì)太貴，而沒(méi)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。
s>>lf&7 ,>TDxI; 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(lái)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(lái)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(wú)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)。
T0\[":
A 0d`l ugf 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(wú)法解決上述問(wèn)題。為了應(yīng)對(duì)未來(lái)的問(wèn)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(lái)。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(wèn)題，那些人相信只要你買(mǎi)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(wèn)題。當(dāng)然，現(xiàn)實(shí)情況是相反的。
Lr"`OzD z 1'k,P;s 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(zhuān)有的設(shè)計(jì)軟件。盡管，其中三個(gè)人聲稱(chēng)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(lái)看，這一結(jié)果和過(guò)去二十年間的設(shè)計(jì)比賽是類(lèi)似的。
vDc&m *iPBpEWC 下面的兩個(gè)結(jié)構(gòu)就是98年IODC的參賽答案（見(jiàn)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(lái)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)。
IY(;:#l :ZM=P3QZ 更令人感興趣的是那些參賽答案中的失敗作品。看起來(lái)，其中很多參賽者對(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(zhuān)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(wú)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。
,qdZ6bv,]| f-}_ 隨著光學(xué)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的拓展，這種情況越來(lái)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(kāi)始，然后是物理光學(xué)的次序來(lái)教育學(xué)生不是個(gè)好主意。最好是從波的概念開(kāi)始，然后介紹在器件尺度遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)的時(shí)候，光線(xiàn)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(méi)有錯(cuò)。但問(wèn)題的實(shí)質(zhì)是和光線(xiàn)打交道不比和光波打交道容易。
Zzr gvP.\,U 事實(shí)上，從光線(xiàn)概念開(kāi)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(kāi)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(zhuān)家才可以懂這一門(mén)學(xué)問(wèn)，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(lái)描述一個(gè)連續(xù)的、非線(xiàn)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(lái)完成。
0=OvVU;P 3[m~6 Ys 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(xiàn)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(xiàn)是如何聯(lián)系起來(lái)的，同時(shí)還能理解那些經(jīng)由合理的，工程上決定出來(lái)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(guò)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(lái)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。
'}P$hP_d HNfd[#gV Jenkins和White的傻話(huà)
4&`d$K gkx<<)y
l 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(shù)的枝葉，“Fundamentals of Optics”則是樹(shù)根，至少也是樹(shù)干。每個(gè)進(jìn)入光學(xué)領(lǐng)域的人都熟悉這本書(shū)。但是，這本書(shū)的開(kāi)頭兩句話(huà)卻讓我們誤入歧途。
Y3' dV) W}\<}dK 書(shū)中寫(xiě)道：光學(xué)，研究光的學(xué)問(wèn)，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(xiàn)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。
.8CfCRq jSvo- 問(wèn)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(méi)有問(wèn)題。問(wèn)題在于宣稱(chēng)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(lái)處理。大家都知道，光的傳播遵循Maxwell方程，無(wú)論你是采用波面的概念還是波面法線(xiàn)的概念，這一點(diǎn)都不會(huì)改變。盡管Jenkins和White的傻話(huà)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(wèn)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。
&=.7-iC|W kA oh#8 = 鏡頭設(shè)計(jì)和光學(xué)工程
Psjk
7\ }iB>3|\ 幾年前，Rudolf Kingslake被羅切斯特工程界提名為年度工程師，獲得提名不是因?yàn)镵ingslake在那一年里做了什么，而是褒獎(jiǎng)他一生的專(zhuān)業(yè)成就。當(dāng)我向他祝賀提名是名至實(shí)歸時(shí)，他回答說(shuō)，他感到非常榮幸，而且還有些意外，因?yàn)樗恢闭J(rèn)為自己是個(gè)鏡頭設(shè)計(jì)師，而不是光學(xué)工程師。
v #Q(g/^ F;Ubdxwwl Kingslake很清楚鏡頭設(shè)計(jì)師和光學(xué)工程師之間的區(qū)別。鏡頭設(shè)計(jì)師的主要工作就是平衡像差；光學(xué)工程師則處理系統(tǒng)布局，和市場(chǎng)部門(mén)，機(jī)械部門(mén)討價(jià)還價(jià)，以獲得足夠的空間，使得在物理法則以?xún)?nèi)設(shè)計(jì)是可以實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)我們進(jìn)入新千年時(shí)，這兩者之間的區(qū)別消失了，同時(shí)，也形成了一個(gè)無(wú)人填補(bǔ)的空白。鏡頭設(shè)計(jì)師和光學(xué)工程師都必須直面這一問(wèn)題。
.ldBl ob(~4H- 鏡頭設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)本質(zhì)上很可能即將消失。今天的現(xiàn)實(shí)是沒(méi)有幾家公司能夠雇傭傳統(tǒng)模式下的全職鏡頭設(shè)計(jì)師。原因是這些公司面臨的不僅僅是傳統(tǒng)鏡頭設(shè)計(jì)中解決的像差平衡問(wèn)題，它們遇到的問(wèn)題更為廣泛。而同時(shí)，光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)化也不是一個(gè)很容易就可以解決的問(wèn)題，最近的光學(xué)設(shè)計(jì)大賽結(jié)果就很清楚的說(shuō)明了這一點(diǎn)。因此，現(xiàn)在非常需要這樣的人，他既可以完成專(zhuān)業(yè)水準(zhǔn)的光學(xué)設(shè)計(jì)，又具有工程上的廣闊視野。
TIP H#W:v hXn@vK6 幾年前，日本的貿(mào)易大臣提出了這樣的口號(hào)：“電子是二十世紀(jì)的科學(xué)--光學(xué)是二十一世紀(jì)的科學(xué)”�，F(xiàn)在，在世紀(jì)交替的時(shí)候，光學(xué)看起來(lái)發(fā)展得還不錯(cuò)，但我們還要確認(rèn)一下我們走在正確的道路上。我們的確很有可能讓光學(xué)成為二十一世紀(jì)的科學(xué)，但是，它主要還是一門(mén)工程科學(xué)。我們必須明白這一點(diǎn)。
YzAGhAyw @'?7au '' 將鏡頭設(shè)計(jì)包含到光學(xué)工程中去，這一點(diǎn)并不容易。盡管改變幾何光學(xué)的教學(xué)方法有一定幫助，但這還不夠。更重要的是，提升光學(xué)工程師的光學(xué)設(shè)計(jì)訓(xùn)練水平。過(guò)去的歲月中有很多值得吸取的經(jīng)驗(yàn)，吸取這些經(jīng)驗(yàn)非常重要。但同時(shí)，光學(xué)設(shè)計(jì)新的發(fā)展中也有很多激動(dòng)人心的機(jī)會(huì)�？梢钥隙ǖ氖�，世紀(jì)交替的現(xiàn)在就是年輕人進(jìn)入光學(xué)設(shè)計(jì)的絕佳時(shí)機(jī)。▲
DEKO] i Z3A"G WY Whither Optical Design?
1 swqs7rR| Douglas C. Sinclair Optics and Photonics News, June 2000
{_J1m&/ 5U JMiwP{ The twentieth century is likely to have witnessed both the birth and the death of traditional lens design. By traditional lens design I mean the process of balancing the aberrations of centered spherical systems to achieve maximum image quality. In traditional lens design, physical optics provides only a termination condition. When the Rayleigh diffraction limit is reached, the design is good enough.
|\q@XCGei LB hDP5qF Until recently, the dimensions of typical optical systems were much greater than optical wavelengths. Specialists in geometrical optics studied refraction using aberrations and rays, and specialists in physical optics studied images using waves, with neither group having much in common with the other. Now, however, optical wavelengths are not considered as short as they used to be. At the same time, there is a lack of people competent in both geometrical and physical optics. We have the tools to tackle challenging and exciting problems of much greater scope and interest than ever before, but fewer and fewer people know how to use these tools. Nearly twenty years ago, Warren Smith wrote an article entitled “The Vanishing Lens Designer”; today, the dwindling number of expert lens designers has become a problem that is even more keenly felt.
BH?fFe&J:` OV
