Det första designexemplet är ett friformsbildsystem med tre spegel som har ett synfält på 8°×6°, en brännvidd på 50 mm och ett F-tal på 1,8, som fungerar i LWIR-bandet. Datoruppgiften distribueras på den högpresterande datorplattformen vid Tsinghua University. Genom 41,8 timmars automatisk beräkning, 127 system erhålls, som alla har det genomsnittliga RMS-vågfrontsfelet (AVG WFE RMS) mindre än 0,075λ (λ =10 μm). Bildkvaliteten anses vara diffraktionsbegränsad eller nästan diffraktionsbegränsad. Kredit:Benqi Zhang, Guofan Jin och Jun Zhu
Att designa ett optiskt system kräver av konstruktören betydande ansträngning, kunskap, kompetens och erfarenhet. I det här arbetet, en automatisk designmetod föreslås för friformsoptik, där specifikationer och begränsningar är de enda indata som krävs, och en mängd olika resultat kan erhållas automatiskt. Resultaten har olika strukturer och optiska effektfördelningar med höga bildkvaliteter. Genom att implementera denna metod, designers kan få en överblick över lösningsutrymmet och även fokusera på specifika mönster.
I de första dagarna av optisk design, människor var tvungna att vara skickliga i aberrationsteori och utföra en enorm mängd numeriska beräkningar, och därför är matematiska färdigheter och talanger mycket viktiga. Framväxten av elektroniska datorer har befriat människor från tunga beräkningsuppgifter, och realiserade snabb verklig strålspårning och kunnat lösa komplexa aberrationsekvationer. Sedan dess, tillämpningen och utvecklingen av optimeringsalgoritmer och mjukvara för optisk design har avsevärt förbättrat hastigheten och effekten av optisk design. Dock, optisk design kräver fortfarande att lösa eller hitta en första lösning som utgångspunkt för optimering, vilket i hög grad kommer att avgöra det slutliga resultatet av optimeringen. Dessutom, optimering är i huvudsak en process av trial-and-error, och effekten av optimering är nära relaterad till designerns erfarenhet. Därför, optisk design är både en konst och en vetenskap.
Även om det finns fler och fler automatiserade verktyg, optisk design utan mänsklig vägledning anses generellt vara omöjlig. Den framtida optiska designen vi ser fram emot kommer att vara:mata in systemets specifikationer och begränsningar i början av designen, och sedan kan ett stort antal designresultat av hög kvalitet med olika strukturer matas ut automatiskt. Formgivarnas huvudsakliga uppgift kommer att vara att överväga faktorer som tillverkningsbarhet, systemstruktur, etc., och välj den slutliga designen från resultatet.
Det andra designexemplet är ett friformsbildsystem med tre spegel som har ett synfält på 4°×4°, en brännvidd på 450 mm och ett F-nummer på 9, som jobbar i VIS-bandet. Genom 35,3 timmars automatisk beräkning, 59 system erhålls, som alla har AVG WFE RMS mindre än 0,075λ (λ =587,6 μm). Kredit:Benqi Zhang, Guofan Jin och Jun Zhu
Mot detta slutmål med optisk design, i en ny tidning publicerad i Ljusvetenskap och tillämpning , ett team av forskare, ledd av professor Jun Zhu från State Key Laboratory of Precision Measurement Technology and Instruments, Institutionen för precisionsinstrument, Tsinghua-universitetet, Kina, har utvecklat en resultatdiversifierad automatisk designmetod för friformsoptik. Med systemets specifikationer (synfält, brännvidd, ingångspupillens diameter) som den enda ingången, en mängd olika friformsbildsystem med tre spegel erhålls automatiskt, som har olika strukturer och diffraktionsbegränsade höga bildkvaliteter. Denna funktion realiseras för första gången inom området optisk design.
Den föreslagna metoden kan utföra en grov sökning av lösningsutrymmet för friformsystem med tre spegel för att erhålla en mängd olika högkvalitativa system, så att man kan ha överblick över lösningarna. Denna metod är också möjlig att låta en fokusera på specifika mönster och göra fina sökningar för att få fler liknande mönster eller mönster med högre bildkvalitet. Genom olika nivåer av grovt och fint sökande, fler och bättre friformsdesigner skulle kunna dyka upp.
Specifikationerna för det tredje designexemplet är utmanande. Det fria bildsystemet med tre spegel har ett synfält på 4°×4°, en brännvidd på 600 mm och ett F-nummer på 3, som jobbar i VIS-bandet. Genom 22,2 timmars automatisk beräkning på en arbetsstation, 48 system med erhålls med AVG WFE RMS mindre än 0,30λ (λ =587,6 μm). Den bästa AVG WFE RMS i grovsökningen är 0,11λ. Med systemet med bästa bildkvalitet som centrum, en finsökning utförs och system med AVG WFE RMS mindre än 0,075λ erhålls slutligen, som visas av V2-885-1-34-1. De fem systemen som visas i denna figur har AVG WFE RMS mindre än 0,11λ. Kredit:Benqi Zhang, Guofan Jin och Jun Zhu
Den resultatdiversifierade automatiska designmetoden som föreslås i denna forskning ger en helt ny metod för att förverkliga helautomatisk optisk design. Det gör det möjligt för människor att få en mängd olika design av hög kvalitet med endast grundläggande kunskaper om optisk design. Inom området vetenskaplig forskning, människor kan utforska lösningsutrymmet för optiska system och gränserna för systemets prestanda baserat på de enorma resultat som erhållits, eller bedriva forskning inom disciplinerna optisk design. Inom området tekniska applikationer, optiska designverktyg baserade på den föreslagna metoden förväntas förändra arbetssättet och kärninnehållet i optisk design. Designers kan fokusera på systemspecifikation, tillverkningsbarhet, och kostnad, etc.
