Het ontwerpen van een optisch systeem vraagt ​​van de ontwerper aanzienlijke inspanning, kennis, vaardigheden en ervaring. In dit werk, een automatische ontwerpmethode wordt voorgesteld voor vrije vorm optica, waarin specificaties en beperkingen de enige input zijn die nodig is, en een verscheidenheid aan resultaten kan automatisch worden verkregen. De outputresultaten hebben verschillende structuren en optische stroomverdelingen met hoge beeldkwaliteiten. Door deze methode toe te passen, ontwerpers kunnen een overzicht van de oplossingsruimte realiseren en zich ook richten op specifieke ontwerpen.

In de begindagen van optisch ontwerp, mensen moesten bedreven zijn in aberratietheorie en een enorme hoeveelheid numerieke berekeningen uitvoeren, en dus zijn wiskundige vaardigheden en talenten erg belangrijk. De opkomst van elektronische computers heeft mensen bevrijd van zware rekentaken, en realiseerde snelle real ray tracing en was in staat om complexe aberratievergelijkingen op te lossen. Vanaf dat moment, de toepassing en ontwikkeling van optimalisatie-algoritmen en optische ontwerpsoftware hebben de snelheid en het effect van optisch ontwerp aanzienlijk verbeterd. Echter, optisch ontwerp vereist nog steeds het oplossen of vinden van een eerste oplossing als startpunt van optimalisatie, die in hoge mate het uiteindelijke resultaat van optimalisatie zal bepalen. Bovendien, optimalisatie is in wezen een proces van vallen en opstaan, en het effect van optimalisatie hangt nauw samen met de ervaring van de ontwerper. Daarom, optisch ontwerp is zowel een kunst als een wetenschap.

Hoewel er steeds meer geautomatiseerde tools zijn, optisch ontwerp zonder menselijke begeleiding wordt over het algemeen als onmogelijk beschouwd. Het toekomstige optische ontwerp waar we naar uitkijken zal zijn:voer de specificaties en beperkingen van het systeem in aan het begin van het ontwerp, en vervolgens kan automatisch een groot aantal hoogwaardige ontwerpresultaten met verschillende structuren worden uitgevoerd. De belangrijkste taak van de ontwerpers zal zijn om uitgebreid rekening te houden met factoren zoals maakbaarheid, systeemstructuur, enzovoort., en selecteer het uiteindelijke ontwerp uit de uitvoerresultaten.

Op weg naar dit ultieme doel van optisch ontwerp, in een nieuw artikel gepubliceerd in Lichtwetenschap en toepassing , een team van wetenschappers, onder leiding van professor Jun Zhu van State Key Laboratory of Precision Measurement Technology and Instruments, Afdeling Precisie-instrument, Tsinghua universiteit, China, hebben een resultaatgediversifieerde automatische ontwerpmethode voor vrije vorm optica ontwikkeld. Met de specificaties van het systeem (gezichtsveld, brandpuntsafstand, ingangspupildiameter) als enige invoer, een verscheidenheid aan drie-spiegel freeform-beeldvormingssystemen worden automatisch verkregen, die verschillende structuren en diffractiebeperkte hoge beeldkwaliteiten hebben. Deze functie wordt voor het eerst gerealiseerd op het gebied van optisch ontwerp.

De voorgestelde methode is in staat om een ​​grove zoektocht uit te voeren in de oplossingsruimte van freeform-systemen met drie spiegels om een ​​breed scala aan hoogwaardige systemen te verkrijgen, zodat men een overzicht heeft van de oplossingen. Deze methode is ook mogelijk om iemand te laten focussen op specifieke ontwerpen en fijne zoekopdrachten uit te voeren om meer vergelijkbare ontwerpen of ontwerpen met hogere beeldkwaliteiten te verkrijgen. Door verschillende niveaus van grof en fijn zoeken, er zouden meer en betere ontwerpen in vrije vorm kunnen ontstaan.

De resultaatgediversifieerde automatische ontwerpmethode die in dit onderzoek wordt voorgesteld, biedt een geheel nieuwe benadering voor de realisatie van volledig automatisch optisch ontwerp. Het stelt mensen in staat om een ​​verscheidenheid aan ontwerpen van hoge kwaliteit te verkrijgen met alleen basiskennis van optisch ontwerp. Op het gebied van wetenschappelijk onderzoek, mensen kunnen de oplossingsruimte van optische systemen en de grenzen van de systeemprestaties verkennen op basis van de enorme behaalde resultaten, of onderzoek doen naar de disciplines van optisch ontwerp. Op het gebied van technische toepassingen, optische ontwerptools op basis van de voorgestelde methode zullen naar verwachting de werkmodus en kerninhoud van optisch ontwerp veranderen. Ontwerpers kunnen zich concentreren op systeemspecificatie, maakbaarheid, en kosten, enzovoort.