El primer ejemplo de diseño es un sistema de imágenes de forma libre de tres espejos que tiene un campo de visión de 8 ° × 6 °, una distancia focal de 50 mm y un número F de 1.8, que funciona en la banda LWIR. La tarea informática se implementa en la plataforma informática de alto rendimiento de la Universidad de Tsinghua. A través de 41,8 horas de cálculo automático, Se obtienen 127 sistemas, todos los cuales tienen un error de frente de onda RMS promedio (AVG WFE RMS) menor que 0.075λ (λ =10 μm). La calidad de la imagen se considera limitada por difracción o casi limitada por difracción. Crédito:Benqi Zhang, Guofan Jin y Jun Zhu
Diseñar un sistema óptico requiere del diseñador un esfuerzo significativo, conocimiento, habilidades y experiencia. En este trabajo, se propone un método de diseño automático para ópticas de forma libre, en el que las especificaciones y las restricciones son los únicos insumos necesarios, y se pueden obtener una variedad de resultados automáticamente. Los resultados de salida tienen varias estructuras y distribuciones de potencia óptica con altas calidades de imagen. Al implementar este método, los diseñadores pueden obtener una descripción general del espacio de la solución y también centrarse en diseños específicos.
En los primeros días del diseño óptico, la gente tenía que dominar la teoría de la aberración y realizar una gran cantidad de cálculos numéricos, y por lo tanto, las habilidades y talentos matemáticos son muy importantes. La aparición de las computadoras electrónicas ha liberado a las personas de pesadas tareas de cálculo, y realizó un trazado de rayos reales rápido y pudo resolver ecuaciones de aberración complejas. Desde entonces, La aplicación y el desarrollo de algoritmos de optimización y software de diseño óptico han mejorado enormemente la velocidad y el efecto del diseño óptico. Sin embargo, El diseño óptico aún requiere resolver o encontrar una solución inicial como punto de partida de la optimización, lo que determinará en gran medida el resultado final de la optimización. Es más, La optimización es esencialmente un proceso de prueba y error, y el efecto de la optimización está estrechamente relacionado con la experiencia del diseñador. Por lo tanto, el diseño óptico es tanto un arte como una ciencia.
Aunque cada vez hay más herramientas automatizadas, El diseño óptico sin guía humana se considera generalmente imposible. El futuro diseño óptico que esperamos será:ingresar las especificaciones y restricciones del sistema al comienzo del diseño, y luego se pueden generar automáticamente una gran cantidad de resultados de diseño de alta calidad con varias estructuras. El trabajo principal de los diseñadores será considerar de manera integral factores como la capacidad de fabricación, estructura del sistema, etc., y seleccione el diseño final de los resultados de salida.
El segundo ejemplo de diseño es un sistema de imágenes de forma libre de tres espejos que tiene un campo de visión de 4 ° × 4 °, una distancia focal de 450 mm y un número F de 9, que trabaja en la banda VIS. A través de 35,3 horas de cómputo automático, Se obtienen 59 sistemas, todos los cuales tienen el AVG WFE RMS menor que 0.075λ (λ =587.6 μm). Crédito:Benqi Zhang, Guofan Jin y Jun Zhu
Hacia este objetivo final del diseño óptico, en un nuevo artículo publicado en Ciencia y aplicación de la luz , un equipo de científicos, dirigido por el profesor Jun Zhu del Laboratorio Estatal Clave de Tecnología e Instrumentos de Medición de Precisión, Departamento de Instrumentos de Precisión, Universidad de Tsinghua, Porcelana, han desarrollado un método de diseño automático diversificado por resultados para ópticas de forma libre. Con las especificaciones del sistema (campo de visión, longitud focal, diámetro de la pupila de entrada) como única entrada, una variedad de sistemas de imágenes de forma libre de tres espejos se obtienen automáticamente, que tienen varias estructuras y altas calidades de imagen limitadas por difracción. Esta función se realiza por primera vez en el campo del diseño óptico.
El método propuesto es capaz de realizar una búsqueda aproximada del espacio de solución de sistemas de forma libre de tres espejos para obtener una amplia variedad de sistemas de alta calidad, para que uno pueda tener una visión general de las soluciones. Este método también es factible para permitirle a uno enfocarse en diseños específicos y realizar búsquedas finas para obtener diseños más similares o diseños con mayor calidad de imagen. A través de diferentes niveles de búsqueda burda y fina, podrían surgir más y mejores diseños de forma libre.
Las especificaciones del tercer ejemplo de diseño son un desafío. El sistema de imágenes de forma libre de tres espejos tiene un campo de visión de 4 ° × 4 °, una distancia focal de 600 mm y un número F de 3, que trabaja en la banda VIS. Mediante 22,2 horas de cómputo automático en una estación de trabajo, Se obtienen 48 sistemas con el AVG WFE RMS menor que 0.30λ (λ =587.6 μm). El mejor AVG WFE RMS en la búsqueda aproximada es 0.11λ. Tomando como centro el sistema con la mejor calidad de imagen, se lleva a cabo una búsqueda detallada y finalmente se obtiene un sistema con el AVG WFE RMS menor que 0.075λ, como se muestra en V2-885-1-34-1. Los cinco sistemas que se muestran en esta figura tienen el AVG WFE RMS menor que 0.11λ. Crédito:Benqi Zhang, Guofan Jin y Jun Zhu
El método de diseño automático diversificado de resultados propuesto en esta investigación proporciona una nueva evaluación para la realización de un diseño óptico completamente automático. Permite a las personas obtener una variedad de diseños de alta calidad con solo conocimientos básicos de diseño óptico. En el campo de la investigación científica, las personas pueden explorar el espacio de soluciones de los sistemas ópticos y los límites del rendimiento del sistema en función de los resultados masivos obtenidos, o realizar investigaciones sobre las disciplinas del diseño óptico. En el campo de las aplicaciones de ingeniería, Se espera que las herramientas de diseño óptico basadas en el método propuesto cambien el modo de trabajo y el contenido central del diseño óptico. Los diseñadores pueden centrarse en la especificación del sistema, fabricabilidad, y costo, etc.
