Le premier exemple de conception est un système d'imagerie de forme libre à trois miroirs qui a un champ de vision de 8°×6°, une focale de 50 mm et un nombre F de 1,8, qui fonctionne dans la bande LWIR. La tâche de calcul est déployée sur la plate-forme de calcul haute performance de l'Université Tsinghua. Grâce à 41,8 heures de calcul automatique, 127 systèmes sont obtenus, dont tous ont une erreur de front d'onde RMS moyenne (AVG WFE RMS) inférieure à 0,075λ (λ =10 m). La qualité d'imagerie est considérée comme limitée par la diffraction ou quasi-limitée par la diffraction. Crédit :Benqi Zhang, Guofan Jin et Jun Zhu
Concevoir un système optique demande au concepteur un effort important, connaissance, compétences et l'expérience. Dans ce travail, une méthode de conception automatique est proposée pour les optiques de forme libre, dans lesquelles les spécifications et les contraintes sont les seules entrées requises, et une variété de résultats peuvent être obtenus automatiquement. Les résultats de sortie ont diverses structures et distributions de puissance optique avec des qualités d'imagerie élevées. En mettant en œuvre cette méthode, les concepteurs peuvent réaliser une vue d'ensemble de l'espace de solution et également se concentrer sur des conceptions spécifiques.
Aux débuts de la conception optique, les gens devaient maîtriser la théorie des aberrations et effectuer une énorme quantité de calculs numériques, et donc les compétences et les talents mathématiques sont très importants. L'émergence des calculateurs électroniques a libéré les gens de lourdes tâches de calcul, et réalisé un lancer de rayons réel rapide et capable de résoudre des équations d'aberration complexes. Depuis, l'application et le développement d'algorithmes d'optimisation et de logiciels de conception optique ont considérablement amélioré la vitesse et l'effet de la conception optique. Cependant, la conception optique nécessite encore de résoudre ou de trouver une solution initiale comme point de départ de l'optimisation, qui déterminera grandement le résultat final de l'optimisation. De plus, l'optimisation est essentiellement un processus d'essais et d'erreurs, et l'effet de l'optimisation est étroitement lié à l'expérience du concepteur. Par conséquent, la conception optique est à la fois un art et une science.
Bien qu'il existe de plus en plus d'outils automatisés, la conception optique sans guidage humain est généralement considérée comme impossible. La future conception optique que nous attendons sera :la saisie des spécifications et des contraintes du système dès le début de la conception, puis un grand nombre de résultats de conception de haute qualité avec diverses structures peuvent être automatiquement générés. Le travail principal des concepteurs sera de considérer de manière globale des facteurs tels que la fabricabilité, structure du système, etc., et sélectionnez la conception finale à partir des résultats de sortie.
Le deuxième exemple de conception est un système d'imagerie de forme libre à trois miroirs qui a un champ de vision de 4° × 4°, une distance focale de 450 mm et un nombre F de 9, qui fonctionne dans la bande VIS. Grâce à 35,3 heures de calcul automatique, 59 systèmes sont obtenus, dont tous ont un AVG WFE RMS inférieur à 0,075λ (λ =587,6 μm). Crédit :Benqi Zhang, Guofan Jin et Jun Zhu
Vers cet objectif ultime de conception optique, dans un nouvel article publié dans Science de la lumière et application , une équipe de scientifiques, dirigé par le professeur Jun Zhu du State Key Laboratory of Precision Measurement Technology and Instruments, Département des instruments de précision, Université de Tsinghua, Chine, ont développé une méthode de conception automatique diversifiée pour les optiques de forme libre. Avec les spécifications du système (champ de vision, distance focale, diamètre de la pupille d'entrée) comme seule entrée, une variété de systèmes d'imagerie de forme libre à trois miroirs sont obtenus automatiquement, qui ont diverses structures et des qualités d'imagerie élevées limitées par la diffraction. Cette fonction est réalisée pour la première fois dans le domaine de la conception optique.
La méthode proposée est capable d'effectuer une recherche grossière de l'espace de solution des systèmes de forme libre à trois miroirs pour obtenir une grande variété de systèmes de haute qualité, afin que l'on puisse avoir une vue d'ensemble des solutions. Cette méthode est également possible pour permettre de se concentrer sur des conceptions spécifiques et d'effectuer des recherches fines pour obtenir des conceptions plus similaires ou des conceptions avec des qualités d'imagerie plus élevées. Grâce à différents niveaux de recherche grossière et fine, des conceptions de forme libre plus nombreuses et meilleures pourraient émerger.
Les spécifications du troisième exemple de conception sont difficiles. Le système d'imagerie de forme libre à trois miroirs a un champ de vision de 4° × 4°, une distance focale de 600 mm et un nombre F de 3, qui fonctionne dans la bande VIS. Grâce à 22,2 heures de calcul automatique sur un poste de travail, 48 systèmes avec le sont obtenus avec l'AVG WFE RMS inférieur à 0,30λ (λ =587,6 μm). Le meilleur AVG WFE RMS dans la recherche grossière est de 0,11λ. En prenant le système avec la meilleure qualité d'imagerie comme centre, une recherche fine est effectuée et le système avec l'AVG WFE RMS inférieur à 0,075λ est finalement obtenu, comme le montre V2-885-1-34-1. Les cinq systèmes illustrés dans cette figure ont un AVG WFE RMS inférieur à 0,11λ. Crédit :Benqi Zhang, Guofan Jin et Jun Zhu
La méthode de conception automatique diversifiée par les résultats proposée dans cette recherche fournit une toute nouvelle approche pour la réalisation d'une conception optique entièrement automatique. Il permet aux gens d'obtenir une variété de conceptions de haute qualité avec seulement des connaissances de base en conception optique. Dans le domaine de la recherche scientifique, les gens peuvent explorer l'espace de solution des systèmes optiques et les limites de la performance du système sur la base des résultats massifs obtenus, ou mener des recherches sur les disciplines de la conception optique. Dans le domaine des applications d'ingénierie, les outils de conception optique basés sur la méthode proposée devraient modifier le mode de travail et le contenu de base de la conception optique. Les concepteurs peuvent se concentrer sur la spécification du système, manufacturabilité, et le coût, etc.
