光學設計的沉迷與愛戀
——光學設計何處去
《Whither Optical Design? 》
原文作者 Douglas C. Sinclair 發(fā)表于 Optics and Photonics News, June 2000
由 張靖 翻譯，僅供學習參考，謝絕轉(zhuǎn)載。
]B )nN': 20世紀可能見證了傳統(tǒng)
鏡頭設計的生與滅。我所指的傳統(tǒng)鏡頭設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，這個設計就足夠好了。
D`@a*YIq _$R =F/88 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)在的技術人員談論光的波長，相比起他們設計的光學系統(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域進行設計的人卻十分少有。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計人員數(shù)量減少的問題。
B6dU6" 上個世紀初，傳統(tǒng)鏡頭設計的數(shù)學，物理框架已經(jīng)建立得比較完備。早期的設計，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，鏡頭設計的理論與實踐才真正建立，主要是在歐洲。
$=.%IJ_MAz u~OlJ1V 到了計算機出現(xiàn)的1950年，今天使用的基本鏡頭設計形式已經(jīng)發(fā)展完備。Cook式的三片鏡，Petzval鏡頭和雙高斯鏡頭直到今天還廣為使用，當然具體的結(jié)構(gòu)形式經(jīng)由計算機優(yōu)化而略有調(diào)整，這一事實是對當年的發(fā)明者工作的最佳肯定。當然，現(xiàn)代光學系統(tǒng)中也出現(xiàn)了一些全新的結(jié)構(gòu)形式。漸變折射率透鏡，衍射透鏡以及普遍使用的變焦鏡頭早已為人知，但直到20世紀下半才發(fā)展完備。采用計算機優(yōu)化，使得今天的鏡頭可以更加復雜。有意思的是，大多數(shù)鏡頭的結(jié)構(gòu)或多或少的遵循了傳統(tǒng)的設計準則，這一點并不令人驚訝�，F(xiàn)在的平版印刷鏡頭就是一個典型。平版印刷鏡頭通常擁有納米級的畸變象差容限，極高的
照明和波前質(zhì)量要求。這種鏡頭是遞進發(fā)展中的一個重要環(huán)節(jié)--設計這種鏡頭用以制造更快的芯片，更快的芯片用以優(yōu)化下一代的平版印刷鏡頭。從另一方面看，這種鏡頭是double-humped Gauss lenses這種典型結(jié)構(gòu)的一種衍生結(jié)構(gòu)。
zH~P-MqC 6agq ^wI 激光和計算機這兩個上世紀中期的發(fā)明，極大的拓展了光學設計的視野，以至傳統(tǒng)意義上的光學設計被推至一個次要地位。今天可以這樣說，
激光的存在，讓光學設計人員有工作可做；計算機的存在則提供了必要的支持。激光的重要性不在于
激光器本身的特性，而在于激光對光學系統(tǒng)的影響。除開有限的幾個軍事、視覺和成像應用，光學，直到最近，都是其它科學領域的
服務學科。當我們進入新的世紀，光學迅速的演變成
消費品技術。為了取得市場成功，消費品技術必須同時“好”和“便宜”。大多數(shù)的設計者都好不適應工作在這種壓力下：他們對“好”很熟悉，但不習慣于“便宜”。將來，設計者的任務不是設計出成像質(zhì)量好到極至的鏡頭，而是設計象質(zhì)令人滿意，但制造成本最低的鏡頭。這是一個重要的不同點，它強調(diào)需要全新的設計方法論。如果一個消費品的鏡頭被過分設計了（象質(zhì)過好），它就會太貴，而沒有競爭力。然而針對鏡頭量產(chǎn)方面的優(yōu)化已經(jīng)超越了傳統(tǒng)光學設計的邊界。
+r!NR?^ m gfK_g)'2U 公差，是極具挑戰(zhàn)性，同時也是傳統(tǒng)光學設計最為忽略的領域，如今它非常重要。從產(chǎn)品封裝的角度而言，小尺寸越來越具有吸引力。尺寸不斷縮小的需求已經(jīng)將光學系統(tǒng)的尺寸推至非比尋常的結(jié)構(gòu)尺度，隨之而來的就是連同數(shù)值計算技巧在內(nèi)的設計分析方法的轉(zhuǎn)變，這些設計方法通常根據(jù)手頭的項目不同而不同。在某些應用實例中，尺寸方面的要求使得鏡頭被放置在波長量級尺度的空間。在這種情況下，幾何光學的設計方法已經(jīng)無能為力，但是，現(xiàn)階段的基于物理光學的計算速度太慢。
這就是光學設計人員即將遇到的挑戰(zhàn)。
ow \EL U^KWRqt 如果光學設計人員對整個光學領域的知識缺乏一個整體的理解，他就無法解決上述問題。
為了應對未來的問題，很有必要將鏡頭設計人員精細的方法論和光學工程師的廣闊視野結(jié)合起來。在光學設計行業(yè)以外，有這么一種趨勢：認為鏡頭設計是一個已經(jīng)被解決的問題，那些人相信只要你買上一套光學設計
軟件，然后按一下“全局優(yōu)化”的按鈕，你就可以解決所有鏡頭設計的問題。當然，現(xiàn)實情況是相反的。
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I& r\"R?P$y| 98年
國際光學設計大賽的競賽題目和色差的優(yōu)化有關。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。和預期的一樣，經(jīng)驗老道的設計者提供了top 5的結(jié)構(gòu)。其中四個使用了商業(yè)光學設計軟件，另外一個使用了內(nèi)部專有的設計軟件。盡管，其中三個人聲稱借助了軟件的全局優(yōu)化功能。但是他們的設計結(jié)果反映了他們對設計本身的掌控。從這一點來看，這一結(jié)果和過去二十年間的設計比賽是類似的。
RK.lz VaY }ex4dhx2M 下面的兩個結(jié)構(gòu)就是98年IODC的參賽答案（見下圖）。上面John Isenberg的獲獎答案性能極為優(yōu)異，而下面不知名作者的答案看起來缺乏對復消色差的理解。
(H uvo9 圖中，較高折射率的玻璃顯示暖色調(diào)。
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\C$e+qb~{ 更令人感興趣的是那些參賽答案中的失敗作品�？雌饋�，其中很多參賽者對復消色差的基本原理缺乏了解，或者是，他們試圖讓軟件替他們思考--在這個設計案例中是行不通的。當然，鏡頭的復消色差并非普通工程師必須熟悉的，但是，我們討論的是一群光學設計的專業(yè)人士。今天頂級的光學設計師消失以后，他們將接管光學設計工作。很有必要反思一下究竟發(fā)生了什么。很明顯的是，光學設計軟件無法提供設計結(jié)果：
軟件的標準內(nèi)置功能是不充分的，它需要在設計者的指導下工作。
fof}I:vO kFE9}0- 隨著光學設計領域的拓展，這種情況越來越普遍。為了應對這種情況，我們有必要反思光學設計本身，確保我們采用正確的方式教育學生，使他們有能力應付這些挑戰(zhàn)。值得注意的是，從幾何光學開始，然后是物理光學的次序來教育學生不是個好主意。最好是從波的概念開始，然后介紹在器件尺度遠大于波長的時候，光線是一種很有用的近似。讓學生由易及難，學習會變得比較容易一點，這沒有錯。但問題的實質(zhì)是和光線打交道不比和光波打交道容易。
[RKk-8I 事實上，從光線概念開始的教學意味著Snell定律的使用。Snell定律優(yōu)雅而簡潔，但當你使用Snell定律描述成像系統(tǒng)時，你會得到一系列的展開式，它們會很快變得難以處理。這種情況下，學生僅僅熟悉了一點近軸光學的知識，然后就是胡思亂想的假設只有嗜好代數(shù)運算的鏡頭設計專家才可以懂這一門學問，最后，大部分學生選擇了放棄努力。
光學設計真正的困難之處在于，采用了一些離散的數(shù)值來描述一個連續(xù)的、非線性的系統(tǒng)，而不是在于代數(shù)運算的復雜。代數(shù)運算可以交給計算機來完成。
pG "wQ {{G3^ysa 從光波的概念出發(fā)，意味著先接觸Huygens原理，然后經(jīng)由Fermat原理到幾何光學。這種方法會促使學生去思考光的本質(zhì)，而不是光線追跡的代數(shù)式。這樣做的優(yōu)點還有，讓學生理解光波和光線是如何聯(lián)系起來的，同時還能理解那些經(jīng)由合理的，工程上決定出來的光學系統(tǒng)的工作實質(zhì)。如果某天，你手頭的設計任務超過了套裝光學軟件提供的功能，那么，理解你所做的工作的物理實質(zhì)就至關重要。即使將來套裝光學軟件不斷升級，自己動手，抓住物理實質(zhì)，拓展需要的功能，這種需求仍然不會消失。
t)j$lmQ n :jv(-RTI Jenkins和White的傻話 b\JU%89 :oy2mi;
r5xm7- `c 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教材了。在光學領域，有很多衍生的教材，如同樹的枝葉，“
Fundamentalsof Optics”則是樹根，至少也是樹干。每個進入光學領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。
'l(s)Oa{M: ,G0"T~ 書中寫道：光學，研究光的學問，習慣性的被分為三個領域，每個領域都有各自不同的理論處理方法。它們是：a.幾何光學，采用光線的方法，b.物理光學，關注光的本質(zhì)，主要是波的理論，c.量子光學，處理光和物質(zhì)原子的作用，精確的計算需要量子力學的方法。
6MM\nIU)/ P@@MQ[u?!. 問題出在哪兒呢？斷言經(jīng)典光學和量子光學是基于不同概念，這沒有問題。問題在于宣稱幾何光學和物理光學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，這一點都不會改變。盡管Jenkins和White的傻話對準備學習光學的學生是有害的，但真正的問題是，這本教材被某種程度上當作光學領域的圣經(jīng)。真正的光學設計師不會采用Jenkins和White的教材。
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G!;sov 鏡頭設計和光學工程 Tl yyJ{~ 8T pYt)]S
GcN}I= 4| 幾年前，Rudolf Kingslake被羅切斯特工程界提名為年度工程師，獲得提名不是因為Kingslake在那一年里做了什么，而是褒獎他一生的專業(yè)成就。當我向他祝賀提名是名至實歸時，他回答說，他感到非常榮幸，而且還有些意外，因為他一直認為自己是個鏡頭設計師，而不是光學工程師。
N4;g"k b K9ia|2f Kingslake很清楚鏡頭設計師和光學工程師之間的區(qū)別。
鏡頭設計師的主要工作就是平衡像差；光學工程師則處理系統(tǒng)布局，和市場部門，機械部門討價還價，以獲得足夠的空間，使得在物理法則以內(nèi)設計是可以實現(xiàn)的。當我們進入新千年時，這兩者之間的區(qū)別消失了，同時，也形成了一個無人填補的空白。鏡頭設計師和光學工程師都必須直面這一問題。
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(Js\ JYWoQ[ZO#> 鏡頭設計專業(yè)本質(zhì)上很可能即將消失。今天的現(xiàn)實是沒有幾家公司能夠雇用傳統(tǒng)模式下的全職鏡頭設計師。原因是這些公司面臨的不僅僅是傳統(tǒng)鏡頭設計中解決的像差平衡問題，它們遇到的問題更為廣泛。而同時，光學系統(tǒng)的優(yōu)化也不是一個很容易就可以解決的問題，最近的光學設計大賽結(jié)果就很清楚的說明了這一點。因此，
現(xiàn)在非常需要這樣的人，他既可以完成專業(yè)水準的光學設計，又具有工程上的廣闊視野。
-6J <{1V 33<{1Y[Q6E 幾年前，日本的貿(mào)易大臣提出了這樣的口號：“
電子是二十世紀的科學--光學是二十一世紀的科學”�，F(xiàn)在，在世紀交替的時候，光學看起來發(fā)展得還不錯，但我們還要確認一下我們走在正確的道路上。我們的確很有可能讓光學成為二十一世紀的科學，但是，
它主要還是一門工程科學。我們必須明白這一點。
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* b0( 將鏡頭設計包含到光學工程中去，這一點并不容易。盡管改變幾何光學的教學方法有一定幫助，但這還不夠。更重要的是，提升光學工程師的光學設計訓練水平。過去的歲月中有很多值得吸取的經(jīng)驗，吸取這些經(jīng)驗非常重要。但同時，光學設計新的發(fā)展中也有很多激動人心的機會。
可以肯定的是，世紀交替的現(xiàn)在就是年輕人進入光學設計的絕佳時機。
