Ricercatori presso Brussels Photonics, Vrije Universiteit Brussel, hanno sviluppato un metodo di progettazione "giusto per la prima volta" che elimina l'approccio "passo e ripetizione" e "prova ed errore" nella progettazione di sistemi ottici. Hanno dimostrato la sistematica, deterministico, scalabile, e il carattere olistico della loro tecnica dirompente con vari esempi di fascia alta basati su lenti e specchi a forma libera e invitano i progettisti ottici a sperimentare direttamente il loro nuovo metodo tramite un'applicazione Web di prova ad accesso aperto.

I sistemi di imaging ottico hanno svolto un ruolo essenziale nella scoperta scientifica e nel progresso sociale per diversi secoli. Per oltre 150 anni scienziati e ingegneri hanno utilizzato la teoria dell'aberrazione per descrivere e quantificare la deviazione dei raggi luminosi dalla messa a fuoco ideale in un sistema di imaging. Fino a poco tempo la maggior parte di questi sistemi di imaging includeva lenti rifrangenti sferiche e asferiche o specchi riflettenti o una combinazione di entrambi. Con l'introduzione di nuovi metodi di produzione ultraprecisi, è diventato possibile fabbricare lenti e specchi che mancano della comune simmetria traslazionale o rotazionale attorno a un piano o un asse.

Tali componenti ottici sono chiamati elementi ottici a forma libera e possono essere utilizzati per estendere notevolmente le funzionalità, migliorare la prestazione, e ridurre il volume e il peso dei sistemi di imaging ottico. Oggi, la progettazione di sistemi ottici si basa in gran parte su efficienti algoritmi di raytracing e ottimizzazione. Una strategia di progettazione ottica basata sull'ottimizzazione di successo e ampiamente utilizzata consiste quindi nella scelta di un sistema ottico noto come punto di partenza e nel raggiungimento costante di miglioramenti incrementali. Tale approccio "step-and-repeat" al design ottico, però, richiede una notevole esperienza, intuizione, e congetture, ecco perché a volte viene chiamato "arte e scienza". Questo vale soprattutto per i sistemi ottici a forma libera.

In un articolo appena pubblicato in Scienza e applicazioni della luce , ricercatori di Brussels Photonics (B-PHOT), Vrije Universiteit Brussel, Il Belgio ha sviluppato un metodo deterministico di progettazione ottica diretta per sistemi di imaging a forma libera basato su equazioni differenziali derivate dal principio di Fermat e risolte utilizzando serie di potenze. Il metodo consente di calcolare i coefficienti della superficie ottica che garantiscono una sfocatura minima dell'immagine per ogni singolo ordine di aberrazioni. Dimostrano il sistematico, deterministico, scalabile, e il carattere olistico del loro metodo per esempi di design basati su specchi e lenti. L'approccio riportato fornisce una metodologia dirompente per progettare sistemi di imaging ottico da zero, riducendo in gran parte l'approccio "prova ed errore" nella progettazione ottica attuale.

Gli scienziati riassumono il principio di funzionamento del loro metodo:

"Dobbiamo solo specificare il layout, il numero e la tipologia delle superfici da progettare e l'ubicazione della fermata. Le equazioni differenziali stabilite e lo schema di soluzione richiedono solo due ulteriori passaggi:(1) risolvere il caso del primo ordine non lineare utilizzando un solutore non lineare standard; (2) risolvere i sistemi lineari di equazioni in ordine crescente impostando le aberrazioni indesiderate a zero o riducendo al minimo una loro combinazione come richiesto dalle specifiche mirate del sistema di imaging a forma libera. Più importante, questi due passaggi sono identici per tutti i progetti ottici (a forma libera)."

"Il metodo presentato consente una generazione e una valutazione altamente sistematiche di soluzioni di progettazione a forma libera calcolate direttamente che possono essere prontamente utilizzate come un eccellente punto di partenza per un'ulteriore e finale ottimizzazione. Come tale, consente la generazione diretta di progetti iniziali "giusti per la prima volta" che consentono un rigoroso, valutazione estesa e in tempo reale nello spazio della soluzione quando combinata con algoritmi di ottimizzazione locali o globali disponibili."