光学设计软件

光学设计软件的主要功能在于输出光学系统的数学描述，指定合乎既定规格的光学系统的形状，位置，材料等等参数。一个典型的光学设计软件包含三个主要部分：数据输入，评价和优化。本文以及后续文章讨论的光学设计软件不同于光线追迹程序和CAD程序。光线追迹程序主要关注于光学系统的评价，而CAD程序主要用于绘图。光学设计软件的核心部分是优化功能。优化功能可以根据给定的起始结构衍生出一个新的结构。在新的结构中，表征系统性能的评价函数取到它的最小值。
50年代和60年代的时候出现了第一个实用的计算机光学设计软件。

70年代出现了几个商业化的光学设计软件。从80年代到现在，这些商业化的软件不断的升级更新。尽管光学设计软件已经了经历了30多年演化，但是在优化算法，评价方法和用户界面方面，光学设计软件仍然需要进一步实质性的发展。
本文将会描述一个典型的光学设计软件。合适的读者是具备一般的光学背景知识，但并不太熟悉光学设计软件的功能。我们将会简要描述一些最重要的数学概念，但不会去详细的推导它们。我们希望这样可以让读者充分明白光学设计软件对他的工作是否有用。
当然，市面上有好几种光学设计软件，每种都有其长处和短处。我们不准备去评价和解释具体的软件，而将会专注于一般光学软件所具备的基本功能。一些软件比另外一些要好一些，但我们也不会做性能方面的判断。我们将尽量避免直接或间接的提到特定软件。
下图是一个典型的光学设计项目的流程图。通常，设计者不仅需要输入起始结构和初始的优化数据，而且需要持续的观察计算机的优化过程，手工修改镜头数据或者优化数据以得到好的设计结构。甚至在镜头性能指标描述非常细致的情况下，仍常常需要在设计的过程中修改评价函数。这种情况通常发生在评价函数和实际性能评价相关性不好的时候，或者是评价函数的构成不佳，或者设计者有目的的简化评价函数从而提高优化速度。
如果当前设计结构的性能还不能满足规格要求，我们可以选择不同的方法来提高性能。根据方法选择的不同，可以分成两种流派。一种力图使设计者和软件之间的界面尽可能的平滑，强调设计过程的交互性。而另外一种想法则试图使评价函数更加包罗万象，优化功能更加强大，着力减小设计者干预的需要。
本文分作四个技术章节。数据输入一节讨论的是镜头数据在计算机里的表示。评价一节讨论的是计算光学系统性能时用到的主要技术。优化一节关注的是提高系统性能的技术。软件的考虑讨论了编程相关的一些问题。
最后一节，光学设计何处去，总体的评价了光学设计的技术发展水平。