使用计算机绘图之光学设计

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<br/>    近十年来，计算机已经成为光学设计的主要工具。典型的工作包括完成光线追迹（ray tracing）、分析和系统描绘所绘制图形等的数值计算。当机器随着每个新时代的来临而变得愈来愈快时，对于特殊设计工作的时间需求将大大地减少，且允许多任务操作，但却很少有明显的延迟产生。这让设计者可以修改一个系统，然后以单一操作即可直接看到图形描绘的结果。各类视觉的设计方法将在此提出讨论，诸如系统绘图、关于实时（real time）产生的特性图（plots）和允许光学设计者根据图片来完成设计等。举出三个范例：1&#46;设计一个简单的显微镜物镜（microscope objective）的教育个别指导（tutorial）；2&#46;由三个非球面反射镜所组成的未摭档反射式望远镜（telescope）；3&#46;有易进入瞳（accessible pupil）的修改式Offner转送 <br/>
<br/>I&#46; 简介（Introduction） <br/>
<br/>  基本物镜之光学设计是以找寻满足且结合既定应用需求的最佳系统为基础。 <br/>
<br/>许多因素可以决定出最佳系统，但典型上它们含有一阶（first-order）成像性质，包括照速（speed）、视野（field of view）和高阶像差（aberrations）。常用的标准为描述在出瞳（exit pupil）上的波前误差（wave-front error）之平均数或在成像面上的几何光点大小（geometrical spot size）之平均数的绩效数字（figure of merit）。然而，其它设计的标准可能是较难去量化的。考虑光学仪器的包装时，即，个别光学组件的大小与位置是与整个系统中的其它组件有关。通常，超出光学表面的一些外部知识对于完成此类的评估是必须的。在太空光学的应用中，包装限制常常造成关键性的争议，例如，许多在宇宙飞船上的仪器和子系统需挑战空间的限制。 本体的摭挡（self-obstruction）是另外一种型式的包装限制，而且当在设计反射系统时，它的移动常是一种挑战。对于这些争议和其它很难去量化的标准，提供初始评估的最简单方法就是*着实际观察系统本身的绘图，然后让经验指导设计者。这篇论文讨论这个可视化的设计过程，在设计过程中，系统经修改之后，图形实时显示出来帮助设计者决定手边的应用成为最佳系统。 <br/>
<br/>一旦自由度的数目减至最小，许多的搜寻方法能够找到最佳系统。最彻底的方法是在所有可用的变量上执行一个系统的全域搜寻（global search）。1第二个且费时较少的近似方法为考虑一个先前认知的系统，然后局部的修改结构间隔以符合目前的需求。为了便于表达，故在此提出的范例仅采用第二个近似的方法。 <br/>