到底什么是光学设计？

王枫13898316786 · 发表于 2023-4-6 07:15:02

到底什么是光学设计？大佬们说的都很好，但是总觉得对于学生或者外行人而言，还是有些过于抽象了。我希望以一种更为具象的方式来向你说明，什么是光学设计。
让我们从一张白纸开始，现在你有一个光学设计的需求，以论坛中的每日一题的题目为例
光学规格为：
1 .芯片大小及规格：1/2 .7″ For OV2710
2 .光学焦距：3 .05mm±5%
3 .光圈值：2 .0
4 .光学后焦：大于4.5mm
5 .光学总长：20 .9mm±0 .3mm
7 .光学角度：152°( MAX )（for OV2710 D146°/H121°）
8 .畸变：TV畸变小于15%
9 .螺纹大小：M12*P0 .5-6g
10 .镜片组成：少于或等于6G+IR
11 .滤色片滤长：T=50% @ 650±10nm。
它可能包括焦距、F#、sensor的尺寸和像素的尺寸、视场角和畸变要求等等，总之当我们把以上的信息彻底光学化之后，那么这个需求在这张白纸上是一个点，一个在特定位置的黑点，就像这样

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接下来我们需要去寻找一个初始结构，你当然也可以用PW法进行计算，然而更多的时候我们在专利库和设计库中去寻找和选择性能相似的有潜力的结构，而这个初始结构，在这张纸上，也是一个点，一个在特定位置的蓝点。每一个光学结构都有它的性能极限，这个极限我们不妨以一个以它为中心的圆来表示比如这样

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当然了，实际情况下它不会是一个圆，可能是椭圆正方形或者……狗狗状的就像这样

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不要紧，总之在我们这个简化模型里，我们用一个圆来表示一个系统的性能极限，这意味着在圆的内部都是这个系统可以实现的性能标准。
也许你运气很好，你找到的初始结构和你的设计需求离得很近，就像这样，这意味着你能够很快地完成设计。

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也许你运气比较好初始结构虽然离得比较远，但是结构的极限依然能够满足设计需求，就像这样，那么你也能比较轻松的达到目标。

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而实际的情况是，我们不能总轻易找到一个合适的结构，我们找到的结构的极限有很大的可能仍然不能满足我们的设计需求，所以实际上更可能是这样的

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那么这个时候，我们需要做的，就是快速判断我们找到的这个初始结构的性能极限，从而决定我们的设计思路。从初始结构到性能极限有很多条路:可以像绿线这样笔直前往——这是资深工程师；也可以像黄线一样稍微有些曲折——这是入门工程师；当然，作为门外汉的你，大概率是红线这样的，试了无数次错走了无数次的弯路之后才能触及极限。而所谓的大佬们，在经历几十几百次优化这个光学结构后，他们能够一眼看出这个圆长啥样——这就是所谓的经验。

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总之，我们想尽办法终于找到了这个系统的极限，这个时候或许又会出现几种可能，让我们一种一种说。
第一种可能是，你的光学结构确实可以满足设计需求，唯一的问题是你去到的极限有些偏差就像这样

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或者……这样

是的有点远蛤，但是本质上是一样的，我们优化到了某个光学结构的极限——即使有些南辕北辙。这种情况下，你通常需要放宽一些边界条件以换取另外一些没有达标的参数满足设计要求——从圆上的一点到另一点。这就是所谓的「光学设计的平衡与取舍」。
另外的一种可能是，这个光学结构的极限就是无法满足这个设计要求，这个时候你就得换个结构，去找到一个能够满足设计要求的初始结构（起始点和它的圆能够包含黑点）就像下图这样蓝色不行换红色，红色不行换黄色，最后发现绿色是可以的，这其实就是不断尝试更换初始结构进行优化。

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或者，像下图这样，这其实是在原有光学结构的基础上更改结构去增加它的潜力，通常是通过透镜分裂-胶合透镜-分离透镜、使用非球面或者其他技巧（这个时候应该拿出我们几何光学与像差理论的教材，书中其实已经藏着大部分技巧）去增加镜片数量。当我们榨干一定数量的镜片潜力，其所有结构的潜力都无法满足我们的设计需求时，堆料就成了你的唯一选择——这也是为什么高档摄影镜头的镜片数量总是在增加，就连手机镜头也逐渐从最早的3P（3个塑料镜片）一路发展到现在7P（7个塑料镜片）

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最后我们还需要通过仿真和模拟来验证我们的设计是不是真的达到设计需求。让我们把局部放大一些

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也许有时候，看似已经达到目标需求了，但是实际上还差那么一点（蓝色点才是你实际获得的设计结果），而这一点可能就是工艺性不达标、鬼像不达标、温漂性能不达标等等，而在现实的项目中，这些最后的细枝末节可能才是最难以解决的事情——请注意，实际上这个结构的理论性能极限仅仅是沾到了需求的边，而我们实际上还没有将设计做到极限，这就意味着，很遗憾你的设计失败了，你需要回到更换结构的步骤重新设计——否则等待着你的可能是一连串的客诉最终项目失败。
好了，现在我们有了光学设计的基本概念了，我们来稍微做个总结，什么是光学设计呢？
1. 将需求翻译成目标参数，在这个过程中可能会涉及到与客户、销售人员、结构工程师、供应商、采购的沟通，如何从他们不专业的需求描述中提炼出专业的光学参数是光学设计的第一步。
2. 我们需要根据这个目标参数来寻找合适初始结构，在这个步骤中，你需要想方设法地去知晓、达到这个结构的极限，不断地去判断是否能够通过这个结构完成设计需求。
3. 如果机构具备完成设计需求的潜力，那么我们得设法向正确的方向去前进，即使最后有些偏差，甚至南辕北辙，也可以通过相差与工艺性、成本控制的平衡来调整我们的设计到正确的位置
4. 如果初始结构不具备完成设计需求的潜力，那么我们应该更换更合适的结构尝试接近满足这个设计需求，常规的思路是更换结构、使用非球面以及增加透镜或者其他的消除对应像差的方法。
5. 通过仿真、试制等过程来验证你的设计是否真的达到设计需求，通常包含敏感度、生产良率模拟、杂光鬼像模拟、温漂模拟等等。
那么，以上就是光学设计的全部了
吗？
理论上是这样的，但其实在这三个步骤中还有很多需要细化的事情。
例如，在2时，我们需要知道如何最快速地去寻找极限，这涉及了优化的技巧（zemax、CodeV的各种操作，去玩弄操作数）
例如在3时，我们需要知道如何控制操作数的权重去进行取舍与平衡
例如我们需要从设计结果（如MTF、RayFan等各种像差图表）去分析系统的问题，从而实现3和4的内容。
更进阶一些的，你需要在设计的最开始就考虑到工艺性、杂光鬼像、温度性能等等，去评判一个结构的极限在哪里，把这些问题带入进去优化。
你需要在玩弄操作数的时候学会怎么控制光线。
你需要去学会macro，学会怎么自己制作适合自己的提高生产效率的脚本与程序。
你需要对生产工艺滚瓜烂熟等等等等
但是即使你把这些事都闹清楚了之后，可能你也才能比较自信地说你已经入门了光学设计。到了这个时候就可以恭喜你已经打败了百分之九十的光学工程师。
但总之，作为光学设计门外汉的你，希望看完这篇文章能对你了解什么是光学设计能够有所帮助。然后你最需要做的事，是记住此刻喜欢光学的心情，是去找到你的第一个设计目标，去打开zemax，去开始跑你的第一个设计。
最后的最后，上面的进阶内容是我随口说的，因为我也还没有入门压根不懂到底光学设计的世界是怎么样的（逃
感谢你看完这篇胡言乱语。

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