Pesquisadores da Brussels Photonics, Vrije Universiteit Brussel, desenvolveram um método de design 'certo na primeira vez' que elimina a abordagem "passo e repetição" e "tentativa e erro" no design de sistemas ópticos. Eles demonstraram a sistemática, determinístico, escalável, e o caráter holístico de sua técnica disruptiva com vários exemplos de ponta baseados em lentes e espelhos de forma livre e convidar designers ópticos a experimentar seu novo método prático por meio de um aplicativo da web de teste de acesso aberto.

Os sistemas de imagem ótica têm desempenhado um papel essencial na descoberta científica e no progresso da sociedade há vários séculos. Por mais de 150 anos, cientistas e engenheiros têm usado a teoria da aberração para descrever e quantificar o desvio dos raios de luz do foco ideal em um sistema de imagem. Até recentemente, a maioria desses sistemas de imagem incluía lentes refrativas esféricas e asféricas ou espelhos reflexivos ou uma combinação de ambos. Com a introdução de novos métodos de fabricação de ultraprecisão, tornou-se possível fabricar lentes e espelhos que carecem da simetria translacional ou rotacional comum em relação a um plano ou eixo.

Esses componentes ópticos são chamados de elementos ópticos de forma livre e podem ser usados ​​para estender significativamente as funcionalidades, melhorar o desempenho, e reduzir o volume e o peso dos sistemas de imagem ótica. Hoje, o projeto de sistemas ópticos depende amplamente de algoritmos de rastreamento e otimização eficientes. Uma estratégia de design óptico baseada em otimização bem-sucedida e amplamente usada consiste, portanto, na escolha de um sistema óptico bem conhecido como ponto de partida e na obtenção de melhorias graduais. Essa abordagem de "etapa e repetição" para design óptico, Contudo, requer uma experiência considerável, intuição, e suposições, é por isso que às vezes é referido como 'arte e ciência.' Isso se aplica especialmente a sistemas ópticos de forma livre.

Em um artigo recém-publicado em Ciência leve e aplicações , pesquisadores da Brussels Photonics (B-PHOT), Vrije Universiteit Brussel, A Bélgica desenvolveu um método de design óptico direto determinístico para sistemas de imagem de forma livre com base em equações diferenciais derivadas do princípio de Fermat e resolvido usando séries de potência. O método permite calcular os coeficientes de superfície óptica que garantem um borrão mínimo da imagem para cada ordem individual de aberrações. Eles demonstram a sistemática, determinístico, escalável, e o caráter holístico de seu método para exemplos de design baseado em espelho e lente. A abordagem relatada fornece uma metodologia disruptiva para projetar sistemas de imagem ótica do zero, enquanto reduz em grande parte a abordagem de 'tentativa e erro' no design óptico atual.

Os cientistas resumem o princípio operacional de seu método:

"Só precisamos especificar o layout, o número e tipos de superfícies a serem projetadas e a localização da parada. As equações diferenciais estabelecidas e o esquema de solução requerem apenas duas etapas adicionais:(1) resolver o caso não linear de primeira ordem usando um solucionador não linear padrão; (2) resolver os sistemas lineares de equações em ordem crescente, definindo aberrações indesejadas para zero ou minimizando uma combinação das mesmas, conforme exigido pelas especificações direcionadas do sistema de forma livre de imagem. Mais importante, essas duas etapas são idênticas para todos os designs ópticos (de forma livre). "

"O método apresentado permite uma geração e avaliação altamente sistemática de soluções de design de forma livre calculadas diretamente que podem ser prontamente usadas como um excelente ponto de partida para otimização posterior e final. ele permite a geração direta de designs iniciais "certos na primeira vez" que permitem um rigoroso, avaliação extensiva e em tempo real no espaço da solução quando combinada com algoritmos de otimização locais ou globais disponíveis. "