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    20世紀可能見證了傳統(tǒng)鏡頭設(shè)計的生與滅。我所指的傳統(tǒng)鏡頭設(shè)計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)計中，物理光學僅僅提供了優(yōu)化終點的條件。一旦達到瑞利極限，這個設(shè)計就足夠好了。 |-=-/u1  
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    直到最近，典型的光學系統(tǒng)的尺度仍比波長長很多。幾何光學的專業(yè)人士采用象差和光線的概念研究折射，物理光學方面的專業(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)計的光學系統(tǒng)，并不像以前的人認為的那么短了。與此同時，跨越幾何光學和物理光學領(lǐng)域進行設(shè)計的人卻十分少有。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)計師的消失”的文章。今天，可以越來越強烈的感覺到專家級鏡頭設(shè)計人員數(shù)量減少的問題。 vX }iA|`#  
    上個世紀初，傳統(tǒng)鏡頭設(shè)計的數(shù)學，物理框架已經(jīng)建立得比較完備。早期的設(shè)計，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世紀的前半，鏡頭設(shè)計的理論與實踐才真正建立，主要是在歐洲。 $JOz7j(  
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    到了計算機出現(xiàn)的1950年，今天使用的基本鏡頭設(shè)計形式已經(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，當然具體的結(jié)構(gòu)形式經(jīng)由計算機優(yōu)化而略有調(diào)整，這一事實是對當年的發(fā)明者工作的最佳肯定。當然，現(xiàn)代光學系統(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世紀下半才發(fā)展完備。采用計算機優(yōu)化，使得今天的鏡頭可以更加復雜。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)計準則，這一點并不令人驚訝�，F(xiàn)在的平版印刷鏡頭就是一個典型。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。這種鏡頭是遞進發(fā)展中的一個重要環(huán)節(jié)--設(shè)計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)。 %DiQTg7V,  
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    激光和計算機這兩個上世紀中期的發(fā)明，極大的拓展了光學設(shè)計的視野，以至傳統(tǒng)意義上的光學設(shè)計被推至一個次要地位。今天可以這樣說，激光的存在，讓光學設(shè)計人員有工作可做；計算機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，而在于激光對光學系統(tǒng)的影響。除開有限的幾個軍事、視覺和成像應(yīng)用，光學，直到最近，都是其它科學領(lǐng)域的服務(wù)學科。當我們進入新的世紀，光學迅速的演變成消費品技術(shù)。為了取得市場成功，消費品技術(shù)必須同時“好”和“便宜”。大多數(shù)的設(shè)計者都好不適應(yīng)工作在這種壓力下：他們對“好”很熟悉，但不習慣于“便宜”。將來，設(shè)計者的任務(wù)不是設(shè)計出成像質(zhì)量好到極至的鏡頭，而是設(shè)計象質(zhì)令人滿意，但制造成本最低的鏡頭。這是一個重要的不同點，它強調(diào)需要全新的設(shè)計方法論。如果一個消費品的鏡頭被過分設(shè)計了（象質(zhì)過好），它就會太貴，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)光學設(shè)計的邊界。 rB+ (  
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    公差，是極具挑戰(zhàn)性，同時也是傳統(tǒng)光學設(shè)計最為忽略的領(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)值計算技巧在內(nèi)的設(shè)計分析方法的轉(zhuǎn)變，這些設(shè)計方法通常根據(jù)手頭的項目不同而不同。在某些應(yīng)用實例中，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，幾何光學的設(shè)計方法已經(jīng)無能為力，但是，現(xiàn)階段的基于物理光學的計算速度太慢。這就是光學設(shè)計人員即將遇到的挑戰(zhàn)。 T/|!^qLF  
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    如果光學設(shè)計人員對整個光學領(lǐng)域的知識缺乏一個整體的理解，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)計人員精細的方法論和光學工程師的廣闊視野結(jié)合起來。在光學設(shè)計行業(yè)以外，有這么一種趨勢：認為鏡頭設(shè)計是一個已經(jīng)被解決的問題，那些人相信只要你買上一套光學設(shè)計軟件，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)計的問題。當然，現(xiàn)實情況是相反的。 HHx:s2G  
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    98年國際光學設(shè)計大賽的競賽題目和色差的優(yōu)化有關(guān)。根據(jù)競賽規(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玻璃空氣接觸面。和預(yù)期的一樣，經(jīng)驗老道的設(shè)計者提供了top 5的結(jié)構(gòu)。其中四個使用了商業(yè)光學設(shè)計軟件，另外一個使用了內(nèi)部專有的設(shè)計軟件。盡管，其中三個人聲稱借助了軟件的全局優(yōu)化功能。但是他們的設(shè)計結(jié)果反映了他們對設(shè)計本身的掌控。從這一點來看，這一結(jié)果和過去二十年間的設(shè)計比賽是類似的。 zRjbEL  
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圖中，較高折射率的玻璃顯示暖色調(diào)。 ;b [>{Q;  
    更令人感興趣的是那些參賽答案中的失敗作品�？雌饋�，其中很多參賽者對復消色差的基本原理缺乏了解，或者是，他們試圖讓軟件替他們思考--在這個設(shè)計案例中是行不通的。當然，鏡頭的復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設(shè)計的專業(yè)人士。今天頂級的光學設(shè)計師消失以后，他們將接管光學設(shè)計工作。很有必要反思一下究竟發(fā)生了什么。很明顯的是，光學設(shè)計軟件無法提供設(shè)計結(jié)果：軟件的標準內(nèi)置功能是不充分的，它需要在設(shè)計者的指導下工作。 )2).kL>  
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    隨著光學設(shè)計領(lǐng)域的拓展，這種情況越來越普遍。為了應(yīng)對這種情況，我們有必要反思光學設(shè)計本身，確保我們采用正確的方式教育學生，使他們有能力應(yīng)付這些挑戰(zhàn)。值得注意的是，從幾何光學開始，然后是物理光學的次序來教育學生不是個好主意。最好是從波的概念開始，然后介紹在器件尺度遠大于波長的時候，光線是一種很有用的近似。讓學生由易及難，學習會變得比較容易一點，這沒有錯。但問題的實質(zhì)是和光線打交道不比和光波打交道容易。 ZiR}S  
    事實上，從光線概念開始的教學意味著Snell定律的使用。Snell定律優(yōu)雅而簡潔，但當你使用Snell定律描述成像系統(tǒng)時，你會得到一系列的展開式，它們會很快變得難以處理。這種情況下，學生僅僅熟悉了一點近軸光學的知識，然后就是胡思亂想的假設(shè)只有嗜好代數(shù)運算的鏡頭設(shè)計專家才可以懂這一門學問，最后，大部分學生選擇了放棄努力。光學設(shè)計真正的困難之處在于，采用了一些離散的數(shù)值來描述一個連續(xù)的、非線性的系統(tǒng)，而不是在于代數(shù)運算的復雜。代數(shù)運算可以交給計算機來完成。 h:pgN,W}  
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    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。這種方法會促使學生去思考光的本質(zhì)，而不是光線追跡的代數(shù)式。這樣做的優(yōu)點還有，讓學生理解光波和光線是如何聯(lián)系起來的，同時還能理解那些經(jīng)由合理的，工程上決定出來的光學系統(tǒng)的工作實質(zhì)。如果某天，你手頭的設(shè)計任務(wù)超過了套裝光學軟件提供的功能，那么，理解你所做的工作的物理實質(zhì)就至關(guān)重要。即使將來套裝光學軟件不斷升級，自己動手，抓住物理實質(zhì)，拓展需要的功能，這種需求仍然不會消失。 my sXgS&