Onderzoekers van Brussels Photonics, Vrije Universiteit Brussel, hebben een 'first time right'-ontwerpmethode ontwikkeld die de "step-and-repeat"- en "trial-and-error"-benadering in het ontwerp van optische systemen elimineert. Ze toonden de systematische, deterministisch, schaalbaar, en holistisch karakter van hun ontwrichtende techniek met verschillende high-end voorbeelden op basis van vrije vormen en spiegels en nodigen optische ontwerpers uit om hun nieuwe methode hands-on te ervaren via een open-access proefwebtoepassing.

Optische beeldvormingssystemen spelen al eeuwenlang een essentiële rol in wetenschappelijke ontdekkingen en maatschappelijke vooruitgang. Al meer dan 150 jaar gebruiken wetenschappers en ingenieurs de aberratietheorie om de afwijking van lichtstralen van de ideale focus in een beeldvormingssysteem te beschrijven en te kwantificeren. Tot voor kort omvatten de meeste van deze beeldvormingssystemen sferische en asferische refractieve lenzen of reflecterende spiegels of een combinatie van beide. Met de introductie van nieuwe ultraprecieze productiemethoden, het is mogelijk geworden om lenzen en spiegels te fabriceren die de gebruikelijke translatie- of rotatiesymmetrie rond een vlak of een as missen.

Dergelijke optische componenten worden optische elementen in vrije vorm genoemd en kunnen worden gebruikt om de functionaliteiten aanzienlijk uit te breiden, prestatie verbeteren, en het volume en het gewicht van optische beeldvormingssystemen te verminderen. Vandaag, het ontwerp van optische systemen is grotendeels afhankelijk van efficiënte raytracing- en optimalisatiealgoritmen. Een succesvolle en veelgebruikte op optimalisatie gebaseerde optische ontwerpstrategie bestaat daarom uit het kiezen van een bekend optisch systeem als uitgangspunt en het gestaag bereiken van incrementele verbeteringen. Zo'n "stap-en-herhaal" benadering van optisch ontwerp, echter, vereist veel ervaring, intuïtie, en giswerk, daarom wordt het soms 'kunst en wetenschap' genoemd. Dit geldt met name voor optische systemen met vrije vorm.

In een nieuw gepubliceerd artikel in Lichtwetenschap en toepassingen , onderzoekers van Brussels Photonics (B-PHOT), Vrije Universiteit Brussel, België heeft een deterministische directe optische ontwerpmethode ontwikkeld voor vrije-vormbeeldvormingssystemen op basis van differentiaalvergelijkingen afgeleid van het principe van Fermat en opgelost met behulp van machtreeksen. De methode maakt het mogelijk de optische oppervlaktecoëfficiënten te berekenen die zorgen voor minimale beeldvervaging voor elke afzonderlijke volgorde van aberraties. Ze demonstreren de systematische, deterministisch, schaalbaar, en holistisch karakter van hun methode voor op spiegels en lenzen gebaseerde ontwerpvoorbeelden. De gerapporteerde aanpak biedt een ontwrichtende methode om optische beeldvormingssystemen helemaal opnieuw te ontwerpen, terwijl de 'trial and error'-benadering in het huidige optische ontwerp grotendeels wordt verminderd.

De wetenschappers vatten het werkingsprincipe van hun methode samen:

"We hoeven alleen de lay-out te specificeren, het aantal en type te ontwerpen oppervlakken en de plaats van de halte. Het gevestigde differentiaalvergelijkingen en oplossingsschema vereist slechts twee verdere stappen:(1) los het niet-lineaire eerste-orde-geval op met behulp van een standaard niet-lineaire oplosser; (2) de lineaire stelsels van vergelijkingen in oplopende volgorde oplossen door ongewenste aberraties op nul te zetten of door een combinatie daarvan te minimaliseren, zoals vereist door de beoogde specificaties van het beeldvormende vrije-vormsysteem. Het belangrijkste is, deze twee stappen zijn identiek voor alle (freeform) optische ontwerpen."

"De gepresenteerde methode maakt een zeer systematische generatie en evaluatie mogelijk van direct berekende freeform-ontwerpoplossingen die gemakkelijk kunnen worden gebruikt als een uitstekend startpunt voor verdere en definitieve optimalisatie. Als zodanig, het maakt het eenvoudig genereren van 'first time right' initiële ontwerpen mogelijk die een rigoureus, uitgebreide en realtime evaluatie in oplossingsruimte in combinatie met beschikbare lokale of globale optimalisatiealgoritmen."