如何提高光学设计能力

寂川之隐

我是一名光学设计方向的研一学生，我斗胆说说自己的学习感悟


我认为光学设计的上限是由理论功底决定的，对光学原理的理解、对系统结构的深入思考才是限制设计水平的关键因素。我不否认光学设计是一个需要经验的工程学科，但我觉得很多时候不应该被“经验”二字迷住眼，靠经验提升水平的前提应该是，在设计不同系统时都弄清背后的光学原理，同时深入思考为什么这么做，以“做研究”的心态去做设计，而不是盲目的追求设计数量却对原理不清不楚，同时也不做复盘总结。

拿高中的学习来类比，想要成绩好当然要大量刷题，但是怎样刷题才最高效呢？首先应该把题目背后的知识原理弄明白，然后刷题的时候要深入思考、复盘总结，这样才能举一反三、融会贯通。闷头采用题海战术，明明刷了很多题，能力却没有多少提升，相信这样的学生大家都见过。类比到光学设计，相信大家应该能理解我想表达的意思。

虽然我们经常自称“光学设计工程师”，但我的导师对我说：“我们的目标是成为光学设计科学家，一定要重视背后的光学原理，不要认为光学设计只依赖经验。要成为光学设计科学家，不要只当软件操作工。”我本科是学物理的，所以很多时候仍然喜欢用理科的思维来解决问题，我觉得工科那种“能用就行”的思维用在实际生产中无可厚非，但是在学习研究阶段，或者是想进一步突破自己的能力上限时，理科的“格物致知”心态会有很大帮助。

我在本科毕业的那个暑假，花费了大量时间精力去啃像差理论，当时也觉得“光学设计是依赖经验的工科，研究这样的理论是不是太纸上谈兵了，真的值得吗？”，但是现在回过头来看，我觉得是非常值得的，对像差理论的深刻理解让我能够很轻松的看懂各类光学设计书籍以及论文，而不是去死记硬背各种所谓的“经验结论”，即所谓磨刀不误砍柴工。

前段时间我在做一个微透镜阵列均匀照明的项目，当时在查资料的时候就感觉很多人其实说不清微透镜匀光的原理，很多人都是人云亦云地说“因为微透镜把光束分成了很多份子光束，这些子光束在像面上叠加，于是就形成了均匀照明”，但是仔细推敲的话，这种说法其实很站不住脚，按照这种理论，微透镜阵列应该放在积分透镜的前焦面上，然后子光束经过积分透镜后变成平行光出射，类似于科勒照明。但是实际案例却是微透镜阵列和积分透镜往往挨得很近，微透镜阵列并没有放在积分透镜的前焦面上，反而是像面应该严格放在积分透镜的后焦面上。如果你在做微透镜均匀照明的项目时，对原理不求甚解，可能也就听信了这种广为流传的说法，然后实际做仿真时，也不去细想为什么像面要放在积分透镜的后焦面上，反正大家都说要这么放，那我也这么做，跑个仿真一看，这么做果真能实现均匀照明。如果做光学设计是这样做的话，恕我直言，可能所谓的“经验”对设计水平的提升是很有限的。

健笔凌云

寂川之隐 发表于 2024-4-26 13:36
我是一名光学设计方向的研一学生，我斗胆说说自己的学习感悟

"对系统结构的深入思考"和"复盘总结"这两点深有体会。


首先是很多由经验得到的"好结构"用理论都能做出解释。比如常见的离轴三反消像散系统，为什么常用的镜子摆放位置的就那么几种？自由曲面的矢量像差理论就能解释：在各表面添加自由曲面后，只有那几种结构的像差"宽容度"高(很小的面形改变就能产生很大的像差)，同时自由曲面偏差(PV和RMS)小，利于加工。而理论在解释完"经验结构"后又能指导设计，产生新的结构。因此只有理论功底深厚、对结构有深入的思考才能这样不断循环地进步下去。

其次，前段时间在设计一个难度很大的大光圈广角镜头，做了无数个版本，发现无论从哪种初始结构向着给定指标开始设计，增减玻璃、优化后的结构和像差都很相似：负光焦度的前组负责偏转大角度入射光，但光阑前后结构的不对称又引起畸变、慧差，中间组校正这些后又产生其他低阶或高阶像差......有了这些复盘总结以后再遇到类似指标的设计，在琳琅满目的初始结构中就只需筛选出大致符合上述结构的初始结构了。

加油学光设

一方面是理论上你需要有光学知识基础，设计软件的运用，另外一方面是需要有实际项目方面的经验，比如镜片的生产加工、镜片的搭配等需要一个把控。当然也需要你有镜头装配成成品之后，镜头出现问题的分析与解决能力。这一行一直在学习的路上，还要经常自己进行反思和回顾，有的时候就会发现之前不知道的东西，那一瞬间就想明白了