如何学习光学设计,浅谈我的个人体会(附推荐书单) | 之晓光学

百科   2024-11-14 17:30   中国  
(之前发表出来发现前面少了一段,所以修改后重新编辑了一下)
一、需要掌握什么

我们可以先来看一家企业的校园招聘公告,对于还在校园的同学们来说,任职要求中除了背景要求,还要求同学们具备光学设计能力,熟练掌握行业软件。那么这句话有两方面含义,一是要求大家具备相应的理论基础,懂光学设计的指标是如何论证的,指标之间有哪些制约因素;二是同学们至少需要接触过光学设计,常见的软件需要熟练使用。个人认为,对光学基础知识的理解程度是可以体现一定区分度的。
举一个简单的例子,如果接触过红外光学系统的设计,同学们应该都听过红外系统不能有渐晕。但是不知道有没有同学们想过这是为什么,如果有渐晕会怎么样,如果面试的时候被问到,可以不可以用一两句话说清楚这个问题。再比如大家应该都知道卡塞格林系统,这样的同轴反射式系统设计时要求次镜不能遮拦太多的光线。不知道大家可以不可以说出遮拦比除了能量之外,对系统成像还有什么影响。可能同学们招聘的时候都会在简历里写和光学设计有关的项目,其实一两个这样的问题就能看出同学们项目参与的深入程度和理解的深入程度。在这个基础上,如果大家跟过生产装调以及镜头测试那就更好了。
如果能说出这个镜头是我设计的,设计时的重难点在哪里,指标之间是如何制约的,公差是如何分配的。同时能说清楚我们是如何装调,如何测试的,想必面试官一定会认为这个小同学看来确实精通光学设计的内容。

当然,对于概念的理解需要通过实践逐渐强化,所以如果想从事这方面的工作,同学们最好还是有相关的项目支撑,除了实验室本身的,如果能有实习机会也是极好的。在学校就做过一些实际的项目,招聘的时候还是会有优势的。

除了光学设计本身,相关的仿真软件也很有用,例如激光雷达系统的光路其实并不复杂,关键在于杂散光的抑制。因此Lighttools/Tracepro等软件的使用也是很重要的。光学设计完成后,还需要大家完成出图,对于学生没法要求什么经验,但至少还是需要能看懂图纸并会画图纸,这就需要大家会有一些机械软件,对工艺也有基本的认识。光学系统的指标论证,相关的数据处理,也涉及到一些力学、机械、图像、控制的因素,如果大家具备Anasy、Comsol、matlab、python之类的能力也是加分项。

再来看一下社会招聘公告,对于社招,除了上面的要求,企业往往就会更强调工程经验,如果是要量产产品,自然就会更强调量产的经验。企业比高校和研究所更加关注光学系统的良品率和成本,如何在设计阶段进行评估,这是需要经验积累的。同时,也要求我们在工作时多思考,会举一反三,如果遇到了一个工艺问题,这次解决了,却不多思考这样的问题是如何产生的、在其他地方会不会有这样的风险、下次能不能提前避免等等问题,经验就无法有效积累。不断地思考,才能不断地进步。

二、如何入门

其实学习光学设计最快的方法是拿到一个实际项目,边做边学,遇到什么不会的立刻去查,随着一个又一个疑问被解决,不论是软件使用也好,对基础概念的理解也好,都会很快提升。别是在实际项目里面,总是会出现各种意想不到的问题,一个镜头加工好了,在测试的时候我就很少遇到一切顺利的情况。随着做过的东西越来越多,所谓的经验也就不断得到了积累。

如果只是想向这个方向发展,或者是科研或者工程中遇到了相关的东西,想要快速入门。这里我推荐北京理工大学的网课。在中国大学慕课平台免费就可以看。如果有条件,可以去找一找国外大学的公开课视频和资料,其实也是比较容易找到的。

为了提高效率,建议自己先阅读教材,带着不懂的问题去看课程。看完书和课程,可以试试课后习题自己能不能做出来,做好自我评估。基础知识过了一遍之后,就要立刻和实际结合。大家可以找一找这两年光电设计大赛的光设题目,试着做做练手,同时也是熟悉专业软件的过程。

如果大家在入门学习的过程中有什么疑问,也可以和我交流讨论,添加下面的微信即可。

三、个人推荐的一些专业书

在本科阶段,专业课程的学习还是非常重要的,本专业的课程中最为核心的可以说就是《物理光学》,还记得我上学的时候,我们讲物理光学的老师就说,如果把这门课学好,大家就具备了看懂其他专业书籍的基础。我当时看的中文物理光学书其实就是最经典的梁老师的物理光学,这本书还有配套的习题解答,很多学校光学工程专业的考研专业课参考书也是这本。大家自学的话,学到理解掌握知识点和例题,并会做大多数课后习题,就可以了。正如前面说的,我个人认为光学最重要的是对概念的理解,做题是一方面,其实更多的需要通过实际项目中的应用来加深。关于物理光学,讲的更深的是羊老师的这本高等物理光学,特别是对于理论部分,大家也可以结合起来参考。


学好了物理光学,说明我们对光的基本性质已经有了一定的理解,接下来可以继续学习应用光学,应用光学是光学仪器设计的基础,在这门课程中学生要学习到各种基本概念,例如出瞳入瞳,以及常见光学仪器的特点和原理。在我看过的书里,北京理工大学大学的这本应用光学教材还是比较有特点的,大家可以用这本书,结合李林老师的免费网课学习(中国大学mooc平台)。如果需要工程中使用的工具书,下面这两本也是我比较常用的。
在应用光学中,我们学习了各类基本概念和光学系统的基本组成,到了实际的光学设计环节,我们就需要一些别的工具书了。关于软件操作,我个人比较推荐清华毛老师的这本书,内容很适合大家入门,并可以帮助大家进一步理解像差的概念,此外宋老师的光学设计书内容是很多的,也可以作为工具书使用,里面也有一些初始结构。如果想要快速入门,这里再次推荐李林老师的免费网课。其实光学设计的参考书很多,但是很多书都已经绝版,我个人也不方便传播这些资料。如果有需要大家可以去Zlibrary网站或者某宝找找电子版。
如果大家需要进一步加深对光学系统的理解,就不能只停留在几何光学上,傅里叶光学还是非常重要的,特别是涉及到超表面、光通信、光电测量等技术方向的时候。现在光学设计里面比较火的自由曲面方向,其实也和傅里叶光学基础理论有关。这里推荐的还是一本经典教材,也有配套的习题集。其实如果有时间,大家也不妨看看通信专业的核心课,例如信号与系统和数字信号处理。
以上是我个人认为的一些核心专业知识,其实面向应用,学习光学测试、光机系统、薄膜光学、图像处理等还是很有用的。例如,在做一个实际的相机的时候,光学设计只是一方面,相机本身是一个光机电算一体化设备。如何根据使用需求论证镜头的指标,如何设计透镜的安装方式,如何仿真震动下透镜的应力从而反过来指导光学设计,这都是一些实用的知识和技能。大家可以在这些方面多看看,至少理解这些东西是怎么一回事,需要用到的时候,知道去哪里查。

四、总结

这里做个小结,总的来说光学设计除了学科专业课程之外,要学的东西还是很多的。当然这也带来了前面提到的问题,就是面向招聘的话,往往还需要通过研究生阶段的学习,在某个特定领域进行深入钻研。这段时间有同学问我如何自学光学设计,我的建议都是最好还是有实际项目支撑。如果课题组暂时没有这方面需求,那就想办法看看实习。其实很多东西还是自己做过了才能真正掌握。关键的是要通过前期的学习建立起一定基础,并培养自己的自学能力和举一反三的能力。

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