Chercheurs à Brussels Photonics, Vrije Universiteit Brussel, ont développé une méthode de conception « bon du premier coup » qui élimine l'approche « étapes et répétitions » et « essais et erreurs » dans la conception de systèmes optiques. Ils ont démontré la systématique, déterministe, évolutif, et le caractère holistique de leur technique perturbatrice avec divers exemples haut de gamme basés sur des lentilles et des miroirs de forme libre et inviter les concepteurs optiques à expérimenter leur nouvelle méthode par le biais d'une application Web d'essai en libre accès.

Les systèmes d'imagerie optique jouent un rôle essentiel dans les découvertes scientifiques et les progrès sociétaux depuis plusieurs siècles. Pendant plus de 150 ans, les scientifiques et les ingénieurs ont utilisé la théorie de l'aberration pour décrire et quantifier la déviation des rayons lumineux par rapport à la focalisation idéale dans un système d'imagerie. Jusqu'à récemment, la plupart de ces systèmes d'imagerie comprenaient des lentilles réfractives sphériques et asphériques ou des miroirs réfléchissants ou une combinaison des deux. Avec l'introduction de nouvelles méthodes de fabrication ultra-précises, il est devenu possible de fabriquer des lentilles et des miroirs dépourvus de la symétrie de translation ou de rotation habituelle autour d'un plan ou d'un axe.

De tels composants optiques sont appelés éléments optiques de forme libre et ils peuvent être utilisés pour étendre considérablement les fonctionnalités, améliorer les performances, et réduire le volume et le poids des systèmes d'imagerie optique. Aujourd'hui, la conception de systèmes optiques repose en grande partie sur des algorithmes efficaces de lancer de rayons et d'optimisation. Une stratégie de conception optique basée sur l'optimisation réussie et largement utilisée consiste donc à choisir un système optique bien connu comme point de départ et à réaliser régulièrement des améliorations incrémentielles. Une telle approche "pas à pas" de la conception optique, cependant, nécessite une grande expérience, intuition, et devinettes, c'est pourquoi on l'appelle parfois « art et science ». Ceci s'applique en particulier aux systèmes optiques de forme libre.

Dans un article récemment publié dans Science de la lumière et applications , chercheurs de Brussels Photonics (B-PHOT), Vrije Universiteit Brussel, La Belgique a développé une méthode de conception optique directe déterministe pour les systèmes d'imagerie de forme libre basée sur des équations différentielles dérivées du principe de Fermat et résolues à l'aide de séries entières. Le procédé permet de calculer les coefficients de surface optique qui assurent un flou d'image minimal pour chaque ordre individuel d'aberrations. Ils démontrent la systématique, déterministe, évolutif, et le caractère holistique de leur méthode pour les exemples de conception à base de miroirs et de lentilles. L'approche rapportée fournit une méthodologie perturbatrice pour concevoir des systèmes d'imagerie optique à partir de zéro, tout en réduisant largement l'approche « essai et erreur » dans la conception optique actuelle.

Les scientifiques résument le principe de fonctionnement de leur méthode :

"Il suffit de préciser la mise en page, le nombre et les types de surfaces à concevoir et l'emplacement de la butée. Les équations différentielles et le schéma de résolution établis ne nécessitent que deux étapes supplémentaires :(1) résoudre le cas non linéaire du premier ordre à l'aide d'un solveur non linéaire standard; (2) résoudre les systèmes d'équations linéaires dans l'ordre croissant en réglant les aberrations indésirables à zéro ou en minimisant une combinaison de celles-ci comme requis par les spécifications ciblées du système d'imagerie de forme libre. Plus important encore, ces deux étapes sont identiques pour toutes les conceptions optiques (de forme libre).

"La méthode présentée permet une génération et une évaluation hautement systématiques de solutions de conception de forme libre calculées directement qui peuvent être facilement utilisées comme un excellent point de départ pour une optimisation ultérieure et finale. En tant que tel, il permet la génération directe de conceptions initiales « bonnes du premier coup » qui permettent une analyse rigoureuse, évaluation approfondie et en temps réel dans l'espace de solution lorsqu'elle est combinée avec des algorithmes d'optimisation locaux ou globaux disponibles."