新闻动态

1. 导读

从广袤的宇宙到微观世界，人类对自然的探索离不开光学系统和光学设计。早期的光学设计，设计人员必须精通像差理论并进行大量的数值计算，因而数学方面的技巧与天赋非常重要。电子计算机的出现将人从繁重的计算任务中解脱出来，实现了光线的快速追迹，以及某些复杂非线性像差方程的解；此后，优化算法的应用和发展以及光学设计软件的出现，更是极大地提高了光学设计的速度和效果。但是，光学设计仍然需要求解或找到一个初始解作为优化的起点，该初始解的好坏极大地决定了优化的最终结果；而且，优化本质上是一个反复尝试、不断试错过程，优化的效果与设计人员的经验密切相关。所以说，光学设计既是一门科学，也是一门艺术。

尽管光学设计的自动化工具越来越多，但是脱离人的指导的光学设计通常被认为是不可能实现的。我们期待的未来光学设计将是：只需在设计之初输入光学系统的指标（如焦距、视场角、孔径）和约束（如光学面数量、体积和结构形式），就可以自动输出大量各种结构的高像质的设计结果，光学设计人员的主要工作将是综合考虑工艺性、结构形式等因素，从众多输出结果中选择最终设计。满足上述特征的新一代的自动设计不需要人直接参与具体的设计过程，只需要具有基础的光学设计知识，就能够得到许多高质量的设计结果。

朝着这个光学设计的终极目标，清华大学精密仪器系朱钧副教授的研究组近日提出了一种自由曲面成像光学系统的自动多解设计方法：只需要输入系统的指标参数，就能够得到许多具有不同结构、且像质达到衍射极限的自由曲面离轴三反成像系统。这是在光学设计领域首次实现这种功能。

2. 研究背景

光学系统是为了实现一定的功能而将各种光学元件组装在一起的组合。光学设计就是要确定系统中光学曲面形状、位置、口径等信息。

2.1 光学自由曲面

光学自由曲面是指一类面形不具有旋转不变轴的曲面。光学系统中使用自由曲面一方面能够提升系统的综合性能，另一方面能够实现一些以往从未实现过的新功能。自由曲面为成像系统设计带来了更多的自由度，再加上离轴结构形式灵活多变，增加了像差方程组解空间的维度和目标函数的复杂度，为设计带来了全新的挑战。求解自由曲面成像系统的初始解大致有三种思路：把已有设计直接作为初始解、基于像差理论求解初始解、用直接设计方法根据物像关系构建初始解，无论哪一种方法都需要经过优化才能够得到的像质达到衍射极限的高像质系统。近几年，有越来越多的工作针对自由曲面光学系统的自动设计展开了研究，实现了部分步骤的自动化。

2.1  基于优化的经典光学设计过程

利用商业软件进行光学设计时，需要人提供一个初始解并对其进行优化。优化过程从初始解开始，设计者首先要设定好目标函数；然后根据系统的类型和性能，凭经验或直觉确定优化策略；优化过程中，根据优化的进展不断调整约束。如果经过反复优化仍无法得到满意的结果，则要改变优化策略；如果仍不成功，就要更换新初始解并且重新优化。最终在得到一个或几个满意的结果后就会终止设计。基于优化的经典光学系统设计过程费时费力且存在一定的盲目性，会忽略掉更好的解存在的可能，解的数量和多样性也较为有限。

3. 创新研究

本研究提出了一种自由曲面离轴三反成像系统的自动多解设计方法，只需要输入系统的参数，经过自动计算，就可以得到许多具有不同结构形式、不同光焦度分配形式的、像质高达衍射极限的系统设计。利用该方法，既可以在较大的范围内对光学系统的解空间进行粗搜索，以得到种类繁多的高质量系统；还可以聚焦某个特定的设计，在其周围进行进一步的细搜索，以得到更多类似的设计结果或者具有更高成像质量的系统。通过不同精细程度的搜索，可以实现对三反系统解空间的探索，得到更多、更好的自由曲面成像系统设计。

4. 应用与展望

本研究所提出的自动多解设计方法为实现全自动光学设计提供了一种全新的思路，它使得光学设计人员只需要具有基本的光学设计知识，就能够获得多种多样的、高质量的设计结果。在科学研究领域，人们可以基于所获得结果探索光学系统的解空间以及系统性能参数的边界，或者对光学设计的规律展开研究。在工程应用领域，基于该方法的光学设计工具将有望改变光学设计的工作模式与核心内容，人们可以将更多的精力集中在指标论证、工艺性筛选以及成本控制等方面的工作。

该研究成果以”Towards automatic freeform optics design: coarse and fine search of the three-mirror solution space”为题被Light: Science & Applications接收。

本文第一作者为清华大学精密仪器系博士生张本奇，通讯作者为朱钧副教授，合作者为清华大学金国藩院士。