Il primo esempio di progettazione è un sistema di imaging a forma libera a tre specchi con un campo visivo di 8°×6°, una lunghezza focale di 50 mm e un numero F di 1,8, che funziona nella banda LWIR. L'attività di elaborazione viene distribuita sulla piattaforma di elaborazione ad alte prestazioni dell'Università di Tsinghua. Attraverso 41,8 ore di calcolo automatico, si ottengono 127 sistemi, che hanno tutti l'errore medio del fronte d'onda RMS (AVG WFE RMS) inferiore a 0,075 (λ =10 μm). La qualità dell'immagine è considerata limitata dalla diffrazione o quasi limitata dalla diffrazione. Credito:Benqi Zhang, Guofan Jin e Jun Zhu
La progettazione di un sistema ottico richiede al progettista uno sforzo notevole, conoscenza, abilità ed esperienza. In questo lavoro, viene proposto un metodo di progettazione automatica per l'ottica a forma libera, in cui le specifiche e i vincoli sono gli unici input richiesti, e una varietà di risultati possono essere ottenuti automaticamente. I risultati di output hanno varie strutture e distribuzioni di potenza ottica con elevate qualità di imaging. Implementando questo metodo, i progettisti possono realizzare una panoramica dello spazio della soluzione e concentrarsi anche su progetti specifici.
Agli albori del design ottico, le persone dovevano essere competenti nella teoria dell'aberrazione ed eseguire un'enorme quantità di calcoli numerici, e quindi le abilità e i talenti matematici sono molto importanti. L'emergere dei computer elettronici ha liberato le persone da pesanti compiti di calcolo, e realizzato un veloce ray tracing reale ed è stato in grado di risolvere complesse equazioni di aberrazione. Da allora, l'applicazione e lo sviluppo di algoritmi di ottimizzazione e software di progettazione ottica hanno notevolmente migliorato la velocità e l'effetto della progettazione ottica. Però, la progettazione ottica richiede ancora la soluzione o la ricerca di una soluzione iniziale come punto di partenza dell'ottimizzazione, che determinerà notevolmente il risultato finale dell'ottimizzazione. Inoltre, l'ottimizzazione è essenzialmente un processo di tentativi ed errori, e l'effetto dell'ottimizzazione è strettamente correlato all'esperienza del progettista. Perciò, il design ottico è sia un'arte che una scienza.
Sebbene ci siano sempre più strumenti automatizzati, la progettazione ottica senza la guida umana è generalmente considerata impossibile. Il futuro progetto ottico che attendiamo con impazienza sarà:inserire le specifiche e i vincoli del sistema all'inizio del progetto, e quindi è possibile produrre automaticamente un gran numero di risultati di progettazione di alta qualità con varie strutture. Il compito principale dei progettisti sarà quello di considerare in modo completo fattori quali la producibilità, struttura del sistema, eccetera., e selezionare il progetto finale dai risultati di output.
Il secondo esempio di progettazione è un sistema di imaging a forma libera a tre specchi con un campo visivo di 4°×4°, una lunghezza focale di 450 mm e un numero F di 9, che lavora nella banda VIS. Attraverso 35,3 ore di calcolo automatico, si ottengono 59 sistemi, tutti hanno un valore RMS AVG WFE inferiore a 0,075 (λ =587,6 μm). Credito:Benqi Zhang, Guofan Jin e Jun Zhu
Verso questo obiettivo finale del design ottico, in un nuovo articolo pubblicato su Scienza e applicazione della luce , un team di scienziati, guidato dal professor Jun Zhu dello State Key Laboratory of Precision Measurement Technology and Instruments, Dipartimento di strumenti di precisione, Università di Tsinghua, Cina, hanno sviluppato un metodo di progettazione automatica diversificato dei risultati per l'ottica a forma libera. Con le specifiche del sistema (campo visivo, lunghezza focale, diametro della pupilla d'ingresso) come unico ingresso, una varietà di sistemi di imaging a forma libera a tre specchi viene ottenuta automaticamente, che hanno varie strutture e qualità di imaging elevate limitate dalla diffrazione. Questa funzione viene realizzata per la prima volta nel campo della progettazione ottica.
Il metodo proposto è in grado di eseguire una ricerca grossolana dello spazio delle soluzioni di sistemi a forma libera a tre specchi per ottenere un'ampia varietà di sistemi di alta qualità, in modo che si possa avere una panoramica delle soluzioni. Questo metodo è anche fattibile per consentire a una persona di concentrarsi su progetti specifici e condurre ricerche approfondite per ottenere progetti più simili o con qualità di imaging più elevate. Attraverso diversi livelli di ricerca grossolana e fine, potrebbero emergere nuovi e migliori design a forma libera.
Le specifiche del terzo esempio di progettazione sono impegnative. Il sistema di imaging a forma libera a tre specchi ha un campo visivo di 4°×4°, una lunghezza focale di 600 mm e un numero F di 3, che lavora nella banda VIS. Attraverso 22,2 ore di calcolo automatico su una stazione di lavoro, 48 sistemi con si ottengono con AVG WFE RMS inferiore a 0,30λ (λ =587,6 μm). Il miglior AVG WFE RMS nella ricerca grossolana è 0.11λ. Prendendo al centro il sistema con la migliore qualità di immagine, viene condotta una ricerca fine e alla fine viene ottenuto un sistema con AVG WFE RMS inferiore a 0,075λ, come mostrato da V2-885-1-34-1. I cinque sistemi mostrati in questa figura hanno AVG WFE RMS inferiore a 0,11λ. Credito:Benqi Zhang, Guofan Jin e Jun Zhu
Il metodo di progettazione automatica diversificato dei risultati proposto in questa ricerca fornisce un approccio completamente nuovo per la realizzazione di un design ottico completamente automatico. Consente alle persone di ottenere una varietà di design di alta qualità con solo una conoscenza di base del design ottico. Nel campo della ricerca scientifica, le persone possono esplorare lo spazio delle soluzioni dei sistemi ottici e i confini delle prestazioni del sistema in base ai massicci risultati ottenuti, o condurre ricerche sulle discipline del design ottico. Nel campo delle applicazioni ingegneristiche, ci si aspetta che gli strumenti di progettazione ottica basati sul metodo proposto cambino la modalità di lavoro e il contenuto fondamentale della progettazione ottica. I progettisti possono concentrarsi sulle specifiche del sistema, producibilità, e costo, eccetera.
