光学设计，枯燥中的乐趣
光学设计，枯燥中的乐趣 |>P`Gl]E
“光学设计是很枯燥的工作。” r$~
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确实,很枯燥。刚入行时，我也这么认为。 HLcK d`$/
和软件的关系，一直很拧巴。本应该是左膀右臂的光学设计软件，成了我们斗争的对象：不断的设置繁琐的像差控制参数，命令软件优化、再优化，却眼瞅着优化评价数值完全静止，毫无变化…… nzHs yL
死盯着屏幕，沉寂中蕴藏着涌动。 zy9# *gGq
很多时候，特别想把电脑砸个稀烂吧？ VZ8HnNAbX
优化了很久很久……能不能获得好的结果，也只能听天由命。 t`X-jr)g
我曾如此枯燥的做了好多年光学设计：某像差不符合设计要求时，只知道添加像差控制操作数，设置巨大无比的权重，优化结果却不尽人意：此像差或许确实有提高，但整个光学系统却基本崩溃掉了。 Pz1[ b$%
枯燥的工作状态持续了很久。否极泰来也好，撞大运也好，黑暗中出现了一线光明：偶尔能设计出比较满意的光路了。 29E9ZjSK
随着工作经验的积累和对光学设计工作认知提升，逐渐从最初抱怨软件功能不够强大，转变为愿意花更多的时间去思考：无法获得较好的光学设计结果的原因是什么？ ?5 ! >k^q
思考结果如下： jz2W /EE`w
（1）光学设计原理认知不深； S:GX!6>
（2）光学设计经验欠缺； ag FWye
（3）对软件优化算法缺乏了解。 Td5;bg6Qy
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1、光学设计原理 ~cSOni`
以色差校正原理为例，色差校正的关键点在于玻璃的选择。其选取规律如下： 5M2G ;o
（1）合适的玻璃对，比如K系列和F系列，可以用来消除色差； vH +QI
（2）旧的玻璃对组合，透镜在消除色差的条件下，可获得小的球差和小的彗差，但同时匹兹伐和会明显增大，比相同焦距的单透镜的匹兹伐和还要大； eJrJ5ml I`
（3）新的玻璃对组合，即：高折射率低色散为正片，低折射率高色散的玻璃为负片的胶合透镜组，可降低匹兹伐和，获得较平的像面，然而球差将处于欠校正状态。 m4 ~Co*]w
[attachment=106555] #eT{?_wM
图1、三透镜焦距相同，均为f Zv*Z^; X9
（a）透镜为K9材料，其匹兹伐半径为-1.52f PXk+Vi,%k
（b）旧玻璃对组合，正透镜为K9，负透镜SF1，其匹兹伐半径为-1.37f Ii,L j1Q
（c）新玻璃对组合，正透镜为SSKN5，负透镜LF5，其匹兹伐半径为-2.19f %<q l
（4）消除二级光谱，实现复消色差，需选择合适玻璃对，需挑选特种色散玻璃。应选取如图2示中，偏离正常玻璃线的材料，比如FK61，CaF2等。 S/| 'g g C
[attachment=106556] Cu0N/hBT
图2、局部色散图 :*"0o{
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了解以上原理，在设计光学系统时，就不会犯原则性错误：仅使用一片薄透镜，妄图获取消色差目的；为实现色差、球差、匹兹伐和的最优设计，而不适时的调整玻璃对组合；为实现复消色差，却仅采用普通玻璃…… ozbu|9 +v
光学设计的原理还有其他方面，以上仅仅以色差校正和玻璃选择为例，论述了光学原理在设计过程中的作用：规避低级的、原理性的错误。 gNO<`9q
2、光学设计经验 ]3C&l+m$ot
仍以玻璃选择为例，讲述光学设计过程中，经验对设计工作造成的影响。 ~/6m|k
以三片镜为例：玻璃的折射率，对三片镜光学系统整体性能影响很大，比较三片镜各个专利，不难发现：相似结构，采用K系列玻璃为正透镜的系统，与采用LAK系列玻璃为透镜的系统，获得的光学性能差距巨大。 eM*@zo<-
有经验的设计师，以某三片镜专利为基础，不增加透镜数量的情况下，为获得更好的像质，必然会调整透镜的材料选取，或者放开透镜材质的限定，通过软件优化、挑选合适玻璃。 PYl(~Vac
那么，在采用软件优化功能挑选合适玻璃材料时，是将正透镜设置为变量，还是把负透镜设计为变量呢？有经验的设计师，一般会选取玻璃图左上方（即：高折射率低色散）的玻璃作为正透镜，并固定下来，将负透镜设置为变量优化。 b<B|p|
为什么选取负透镜为变量进行优化呢？原因有二： D^Bd>E y4
（1）优化过程中积累的经验告诉我们：优化负透镜，软件一般会选取高折射率低色散的玻璃作为负透镜。此种玻璃为ZF系列，非常常规的玻璃，价格较低，而选择正透镜材料作为变量优化时，软件一般会挑选低色散玻璃，此类玻璃为特殊色散玻璃，价格昂贵； >uuP@j
（2）通过观察玻璃图可以看出，F系列玻璃数量，远大于K系列玻璃，选择负透镜的材料作为优化对象，有更多的玻璃牌号供挑选。 aUN!Sd2,
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图3、玻璃材料图 fo$iV;x`
以上，仅为选择玻璃时的一些经验。 `}KK@ (Y
3、软件优化算法 SB1\SN B
为提升三片镜或者天塞的光学性能，比如：降低球差，可采用将第一片正透镜分裂为两片透镜、增加透镜数量的方式实现。在操作过程中，如果仅仅以如图4示形式分裂镜片，并利用软件优化，其结果是令人费解的：分裂镜片后，软件优化许久，优化结果居然与原设计效果相差无几。 z6 v RTY
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图4、无效分裂镜片形式 vIrLG1E K
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[attachment=106553]
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图5、正确分裂镜片形式 4Wq{ch
这是为什么呢？ Y B@\"|}
优化软件中，三片镜系统的像差评价函数，已经到达局部最小值（分列前，是全局最小；采用如图4的分裂方式后，是局部最小），虽然增加了变量的数量，软件并不能从评价函数局部最小的低谷中走出，翻越山峰，寻找全局最低点。 ~l%D cp
无法逃离局部最小，是软件优化算法局限性的最突出体现。 !Re/W
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软件算法基于逐步微调光路，实现光路优化。算法的基础和特性，决定了优化软件在外界干预下，很难跨越局部最小值。 l|`%FB^ k
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图6、局部最小与全局最小示意 b<qv
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光学设计师出手干预优化软件的时候到了！手动修改分裂的两片透镜形状：第一片近似平凸，第二片近似弯月的形状，并观察像差变化，手动微调形状，使前两片分裂镜片接近球差最小状态（两片分裂透镜组合接近球差最小状态，而非整个三片镜光学系统，此时，三片镜光学系统还未优化，分裂的两透镜欠校正球差减小后，光学系统的球差是增大的，为较大的过校正球差），将透镜曲率设置为变量，重新优化，此时，设计软件将成功跨越局部最小，我们会发现，通过优化后，分裂镜片的三片镜系统的带球差将会变小。 BlS0I%SN
以上，为了讲明白一些道理，却引入了更多的琐碎的概念，反倒让大家看得更糊涂了吧？或许会让大家觉得光学设计需要掌握很多基本原理，需要积累很多经验。 ^{["] !f#
实际上并非如此。对光学设计原理融汇贯通后会发现：光学设计原理的基本理念少的可怜，也非常很容易掌握。而且光学设计的基本原理，几十年未发生本质性的变化，它就在那里。在做了十多年光学设计后，有那么一瞬间，会觉得：光学设计原理，很像老子所说的“道”。就在那里，简单，而遵照此原理，却能衍生出不同的光学系统…… ,qak_bP
如果能通过不断的练习，在工作中遵循光学设计基本规律，是否可以真能达到“以无厚入有间，恢恢乎其于游刃必有余地矣”的境界呢？ gOZ$rv ^g
若如此，光学设计工作，也可以成为一件乐事。 KE+y'j#C3
诗有云：高山仰止，景行行止，虽不能至，然心向往之。 pO$`(+q[
即使不能达到如此境界，向往一下，也是好的。
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