光學(xué)設(shè)計(jì)的沉迷與愛戀
nwH|Hs riU $7g(-W ——光學(xué)設(shè)計(jì)何處去 Whither Optical Design? 原文作者 Douglas C. Sinclair 發(fā)表于 Optics and Photonics News, June 2000
^E*C~;^S xF0*q 由 小馬過河 翻譯，僅供學(xué)習(xí)參考，轉(zhuǎn)載請站內(nèi)信箱聯(lián)系�！�
PmTd+Gj$ $"1&! 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。
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mt7:`- 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�，F(xiàn)在的技術(shù)人員談?wù)摴獾牟ㄩL，相比起他們設(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)烈的感覺到專家級鏡頭設(shè)計(jì)人員數(shù)量減少的問題。
6Z:|"AwC2 (b!DJ;(O9 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。
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y>8k( 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)。
4}j}8y2)H e#{L ~3 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“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(jì)的邊界。
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X / "H+l 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量級尺度的空間。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)。
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VlvDodV 如果光學(xué)設(shè)計(jì)人員對整個(gè)光學(xué)領(lǐng)域的知識缺乏一個(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：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。
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