O primeiro exemplo de design é um sistema de imagem de forma livre de três espelhos que tem um campo de visão de 8 ° × 6 °, uma distância focal de 50 mm e um número F de 1,8, que funciona na banda LWIR. A tarefa de computação é implantada na plataforma de computação de alto desempenho da Universidade Tsinghua. Por meio de 41,8 horas de computação automática, 127 sistemas são obtidos, todos os quais têm o erro médio de frente de onda RMS (AVG WFE RMS) menor que 0,075λ (λ =10 μm). A qualidade da imagem é considerada limitada pela difração ou quase limitada pela difração. Crédito:Benqi Zhang, Guofan Jin e Jun Zhu
Projetar um sistema óptico requer um esforço significativo do projetista, conhecimento, habilidades e experiência. Nesse trabalho, um método de design automático é proposto para óptica de forma livre, em que especificações e restrições são as únicas entradas necessárias, e uma variedade de resultados podem ser obtidos automaticamente. Os resultados de saída têm várias estruturas e distribuições de potência óptica com alta qualidade de imagem. Ao implementar este método, os designers podem ter uma visão geral do espaço da solução e também se concentrar em designs específicos.
Nos primeiros dias do design óptico, as pessoas tinham que ser proficientes na teoria da aberração e realizar uma grande quantidade de cálculos numéricos, e, portanto, habilidades matemáticas e talentos são muito importantes. O surgimento de computadores eletrônicos libertou as pessoas de pesadas tarefas de cálculo, e realizou rastreamento de raio real rápido e foi capaz de resolver equações de aberração complexas. Desde então, a aplicação e o desenvolvimento de algoritmos de otimização e software de design óptico melhoraram muito a velocidade e o efeito do design óptico. Contudo, o design óptico ainda requer a resolução ou a descoberta de uma solução inicial como ponto de partida para a otimização, o que determinará muito o resultado final da otimização. Além disso, a otimização é essencialmente um processo de tentativa e erro, e o efeito da otimização está intimamente relacionado à experiência do designer. Portanto, o design óptico é uma arte e uma ciência.
Embora existam cada vez mais ferramentas automatizadas, design óptico sem orientação humana é geralmente considerado impossível. O futuro design óptico que esperamos será:inserir as especificações e restrições do sistema no início do design, e, em seguida, um grande número de resultados de design de alta qualidade com várias estruturas podem ser produzidos automaticamente. O principal trabalho dos designers será considerar de forma abrangente fatores como a capacidade de fabricação, estrutura do sistema, etc, e selecione o design final dos resultados de saída.
O segundo exemplo de design é um sistema de imagem de forma livre de três espelhos que tem um campo de visão de 4 ° × 4 °, uma distância focal de 450 mm e um número F de 9, que funciona na banda VIS. Por meio de 35,3 horas de computação automática, 59 sistemas são obtidos, todos os quais têm o AVG WFE RMS menor que 0,075λ (λ =587,6 μm). Crédito:Benqi Zhang, Guofan Jin e Jun Zhu
Em direção a esse objetivo final de design óptico, em um novo artigo publicado em Ciência leve e aplicação , uma equipe de cientistas, liderado pelo Professor Jun Zhu, do Laboratório Estadual de Tecnologia e Instrumentos de Medição de Precisão, Departamento de Instrumentos de Precisão, Universidade de Tsinghua, China, desenvolveram um método de design automático diversificado de resultados para ópticas de forma livre. Com as especificações do sistema (campo de visão, comprimento focal, diâmetro da pupila de entrada) como a única entrada, uma variedade de sistemas de imagem de forma livre de três espelhos são obtidos automaticamente, que têm várias estruturas e qualidades de alta imagem limitadas por difração. Esta função é realizada pela primeira vez no campo do design óptico.
O método proposto é capaz de realizar uma busca grosseira do espaço de solução de sistemas de forma livre de três espelhos para obter uma ampla variedade de sistemas de alta qualidade, para que se tenha uma visão geral das soluções. Este método também é viável para permitir que alguém se concentre em projetos específicos e conduza pesquisas refinadas para obter projetos mais semelhantes ou projetos com qualidades de imagem superiores. Por meio de diferentes níveis de pesquisa grosseira e fina, mais e melhores designs de forma livre poderiam surgir.
As especificações do terceiro exemplo de design são desafiadoras. O sistema de imagem de forma livre de três espelhos tem um campo de visão de 4 ° × 4 °, uma distância focal de 600 mm e um número F de 3, que funciona na banda VIS. Por meio de 22,2 horas de computação automática em uma estação de trabalho, 48 sistemas com o são obtidos com o AVG WFE RMS menor que 0,30λ (λ =587,6 μm). O melhor AVG WFE RMS na pesquisa grosseira é 0,11λ. Tendo o sistema com a melhor qualidade de imagem como o centro, uma busca fina é conduzida e o sistema com o AVG WFE RMS menor que 0,075λ é eventualmente obtido, conforme mostrado por V2-885-1-34-1. Os cinco sistemas mostrados nesta figura têm o AVG WFE RMS menor que 0,11λ. Crédito:Benqi Zhang, Guofan Jin e Jun Zhu
O método de design automático diversificado de resultados proposto nesta pesquisa fornece uma nova abordagem para a realização de design óptico totalmente automático. Ele permite que as pessoas obtenham uma variedade de designs de alta qualidade apenas com conhecimentos básicos de design óptico. No campo da pesquisa científica, as pessoas podem explorar o espaço de solução de sistemas ópticos e os limites de desempenho do sistema com base nos resultados massivos obtidos, ou conduzir pesquisas nas disciplinas de design óptico. No campo de aplicações de engenharia, Espera-se que as ferramentas de design óptico baseadas no método proposto alterem o modo de trabalho e o conteúdo central do design óptico. Os designers podem se concentrar na especificação do sistema, capacidade de fabricação, e custo, etc.
