光學(xué)設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀 \JNWL y
w  
一個科班畢業(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，一個星期左右就能上手工作；而一個光學(xué)工程的畢業(yè)生，面對實(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，會領(lǐng)悟到一個事實(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)，對于非成像光學(xué)設(shè)計(jì)，其實(shí)境況也差不多。 5L\Im^  
,@Elw>^  
成像光學(xué)的底層原理非常簡單。從斯涅耳推導(dǎo)出折射定律開始，一個折射公式就可以計(jì)算幾乎所有光學(xué)透鏡對于光線路徑的影響，光學(xué)設(shè)計(jì)的工作用最簡單的大白話來說就是運(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。 8=mx5Gwz-  
l585L3i  
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)者們期望用通過最少的計(jì)算獲得一個鏡頭設(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：只需計(jì)算一根中心視場的邊緣光線和一根邊緣視場的主光線，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)。這些是我們在學(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。 E FBvi  
F5
\{`  
工具的革命通常會帶來一種技術(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)級的上升，雖然對傳統(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)別于通過計(jì)算直接獲得每個鏡片的參數(shù)，設(shè)計(jì)師們建立一個每個鏡片參數(shù)和我們期望目標(biāo)之間的聯(lián)系，然后改變每個參數(shù)，觀察評估值的變化，計(jì)算出改進(jìn)的方向，再重復(fù)上述過程，迭代出最終的設(shè)計(jì)結(jié)果。這也就是我們常說的優(yōu)化的方法。 -?ebkHe  
zZ8:>2Ps(  
在優(yōu)化的過程中，我們真正設(shè)計(jì)的不是每一個鏡片的參數(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)上降低了入門門檻。一個光學(xué)設(shè)計(jì)工程師不需要再去分配每個鏡片的光角度、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不錯的設(shè)計(jì)結(jié)果，因此這種設(shè)計(jì)方法現(xiàn)在已基本上稱為了主流。 Ul:M=8nE%  
kB-<17  
傳統(tǒng)變焦鏡頭的設(shè)計(jì)方法 mEV@~){  
?jnbm'~S  
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，其各個焦距結(jié)構(gòu)之間并不一定存在連續(xù)性，但各個變焦結(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)我們要尋找一個可用的初試結(jié)構(gòu)時(shí)，除了去各專利庫碰碰運(yùn)氣，有時(shí)還得排除專利中的故意挖坑，設(shè)計(jì)師們又必須開始學(xué)習(xí)復(fù)雜的變焦理論，計(jì)算各個變焦組、變倍組、補(bǔ)償組光焦度，綜合各類基礎(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)入門門檻，一個不錯的變焦鏡頭設(shè)計(jì)可以作為一名碩士甚至博士的畢業(yè)論文，而且即使對于掌握了這種方法的工程師來說，通過求解方程也不是一個很有效率的設(shè)計(jì)方法。 rP}0B/  
0'R}'  
現(xiàn)在情況有了一些變化。 YRj"]= 5N  
`L.nj6F  
常規(guī)工程師在一個領(lǐng)域內(nèi)通常只會學(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�軟件在不同的領(lǐng)域都有其獨(dú)特的優(yōu)勢，另一方面，從各個軟件的文檔和案例去學(xué)習(xí)和理解光學(xué)設(shè)計(jì)對我來說是一種很有效的學(xué)習(xí)方法。 ")W5`9  
,6wGd