Forskare vid Brussels Photonics, Vrije Universiteit Brussel, har utvecklat en "första gången rätt" designmetod som eliminerar "steg-och-upprepa" och "försök-och-fel" tillvägagångssätt i optisk systemdesign. De demonstrerade det systematiska, deterministisk, skalbar, och holistisk karaktär av deras störande teknik med olika freeform-lins- och spegelbaserade avancerade exempel och bjud in optiska designers att uppleva sin nya metod i praktiken via en webbaserad testapplikation med öppen åtkomst.

Optiska bildsystem har spelat en väsentlig roll i vetenskaplig upptäckt och samhällsutveckling i flera århundraden. I mer än 150 år har forskare och ingenjörer använt aberrationsteori för att beskriva och kvantifiera ljusstrålarnas avvikelse från idealfokusering i ett bildsystem. Fram till nyligen inkluderade de flesta av dessa avbildningssystem sfäriska och asfäriska brytningslinser eller reflekterande speglar eller en kombination av båda. Med introduktionen av nya tillverkningsmetoder med ultraprecision, det har blivit möjligt att tillverka linser och speglar som saknar den gemensamma translationella eller rotationssymmetri om ett plan eller en axel.

Sådana optiska komponenter kallas freeform optiska element och de kan användas för att kraftigt utöka funktionaliteterna, Förbättra prestanda, och minska volymen och vikten av optiska bildsystem. I dag, designen av optiska system är till stor del beroende av effektiva strålspårnings- och optimeringsalgoritmer. En framgångsrik och allmänt använd optimeringsbaserad optisk designstrategi består därför i att välja ett välkänt optiskt system som utgångspunkt och stadigt uppnå stegvisa förbättringar. En sådan "steg-och-upprepa" strategi för optisk design, dock, kräver stor erfarenhet, intuition, och gissningar, varför det ibland kallas 'konst och vetenskap'. Detta gäller särskilt optiska system i fri form.

I en nyligen publicerad tidning i Ljusvetenskap och applikationer , forskare vid Brussels Photonics (B-PHOT), Vrije Universiteit Brussel, Belgien har utvecklat en deterministisk direkt optisk designmetod för friformade avbildningssystem baserade på differentialekvationer härledda från Fermats princip och löst med kraftserier. Metoden gör det möjligt att beräkna de optiska ytkoefficienterna som säkerställer minimal bildskärpa för varje enskild avvikelseordning. De visar det systematiska, deterministisk, skalbar, och holistisk karaktär av deras metod för spegel- och linsbaserade designexempel. Den rapporterade metoden ger en störande metod för att designa optiska bildsystem från grunden, samtidigt som man i stor utsträckning reducerar "trial and error" -metoden i dagens optiska design.

Forskarna sammanfattar den operativa principen för deras metod:

"Vi behöver bara ange layouten, antal och typer av ytor som ska utformas och hållplatsens placering. De etablerade differentialekvationerna och lösningsschemat kräver bara ytterligare två steg:(1) lösa det olinjära första ordningsfallet med en icke-linjär standardlösare; (2) lösa de linjära ekvationssystemen i stigande ordning genom att sätta oönskade aberrationer till noll eller genom att minimera en kombination därav som krävs av de riktade specifikationerna för det avbildande friformssystemet. Viktigast, dessa två steg är identiska för alla (freeform) optiska konstruktioner. "

"Den presenterade metoden möjliggör en mycket systematisk generering och utvärdering av direktberäknade lösningar för friformsdesign som lätt kan användas som en utmärkt utgångspunkt för ytterligare och slutlig optimering. Som sådan, det gör det enkelt att generera "första gången rätt" initiala mönster som möjliggör en rigorös, omfattande och realtidsutvärdering i lösningsutrymme i kombination med tillgängliga lokala eller globala optimeringsalgoritmer. "