據(jù)中國激光雜志社網(wǎng)，于2025年11月19日報(bào)道，用計(jì)算完善光學(xué)——AI輔助光學(xué)設(shè)計(jì)。
1、研究背景
光學(xué)設(shè)計(jì)屬于典型的復(fù)雜非凸優(yōu)化問題，需要有經(jīng)驗(yàn)的光學(xué)工程師根據(jù)光線走勢和像差平衡選擇合適的初始結(jié)構(gòu)。如果有一個(gè)工具，根據(jù)使用者給出的指標(biāo)，迅速地給出一組成像質(zhì)量優(yōu)秀的鏡頭，又可以自動(dòng)搜索各鏡片加工廠商現(xiàn)成的鏡頭進(jìn)行匹配替換，那么完成一個(gè)鏡頭的設(shè)計(jì)到加工會(huì)比現(xiàn)有流程便捷得多。
人工智能（AI）技術(shù)擁有強(qiáng)大的逆向求解能力。當(dāng)下已經(jīng)有大量的AI應(yīng)用于超表面、全息的逆向設(shè)計(jì)和計(jì)算成像的成功案例。利用AI輔助簡化光學(xué)設(shè)計(jì)能夠大大提升設(shè)計(jì)效率以及光學(xué)系統(tǒng)的性能；而由于光學(xué)設(shè)計(jì)和AI的結(jié)合變化多樣，在各個(gè)領(lǐng)域均有應(yīng)用，因此總結(jié)AI在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用方式和影響，將對未來的工作產(chǎn)生啟發(fā)。
2、AI輔助下的光學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)展
2.1. 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的光學(xué)系統(tǒng)生成、設(shè)計(jì)方法
近年來，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的光學(xué)系統(tǒng)生成設(shè)計(jì)方法發(fā)展迅速。深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN）的多層非線性映射可生成固定鏡片參數(shù)的結(jié)構(gòu)。循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）進(jìn)一步對鏡片序列進(jìn)行學(xué)習(xí)，使可變片數(shù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)生成成為可能。
在訓(xùn)練框架方面，早期研究主要依賴于有監(jiān)督學(xué)習(xí)，如2018年美國亞利桑那大學(xué)Gannon等和2019年北京理工大學(xué)楊通等學(xué)者，自建數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練，分別實(shí)現(xiàn)了自由曲面照明系統(tǒng)與離軸三反成像系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)生成。隨后，加拿大拉瓦爾大學(xué)C?té團(tuán)隊(duì)引入無監(jiān)督學(xué)習(xí)及可微光學(xué)仿真，減少對數(shù)據(jù)集的依賴并擴(kuò)展了系統(tǒng)生成范圍，同時(shí)結(jié)合RNN的序列學(xué)習(xí)與模塊化DNN，實(shí)現(xiàn)了可變片數(shù)的系統(tǒng)生成。
2020年至今，AI光學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)一步融合優(yōu)化策略預(yù)測、混合監(jiān)督學(xué)習(xí)和可微仿真反饋機(jī)制，研究人員提出了更完善的大規(guī)模數(shù)據(jù)集構(gòu)建方法，實(shí)現(xiàn)了像質(zhì)、約束與多解性的平衡；最新研究還擴(kuò)展到偏振系統(tǒng)與多幾何結(jié)構(gòu)自由曲面系統(tǒng)的自動(dòng)生成，成功率和結(jié)構(gòu)多樣性顯著提高。
總體來看，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)展從原本的單一復(fù)雜元件設(shè)計(jì)，先是拓展到擁有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的簡單元件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，逐步實(shí)現(xiàn)復(fù)雜元件構(gòu)成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。由局部擬合擴(kuò)展向全局設(shè)計(jì)，由少量參數(shù)的生成邁向多參數(shù)的平衡。
2.2. 結(jié)合深度學(xué)習(xí)的鏡頭端到端設(shè)計(jì)方法
端到端光學(xué)數(shù)字聯(lián)合設(shè)計(jì)概念自2008年提出以來，在多個(gè)光學(xué)領(lǐng)域得到認(rèn)可和應(yīng)用。它解放了原本光學(xué)系統(tǒng)以接收器作為終點(diǎn)的框架，使這種框架僅作為一個(gè)中間過程，確保了最終獲取的數(shù)字信息的準(zhǔn)確性。而自動(dòng)微分的引入使復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)的可微仿真成為可能，這為光學(xué)系統(tǒng)加入端到端訓(xùn)練提供了快速優(yōu)化的基礎(chǔ)，使光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠直接與任務(wù)目標(biāo)（如成像質(zhì)量或識(shí)別性能等）聯(lián)合優(yōu)化，尋找綜合最優(yōu)的結(jié)構(gòu)。
端到端光學(xué)設(shè)計(jì)目前已在多個(gè)方向取得突破，文中總結(jié)了一下幾個(gè)方面的應(yīng)用：1）實(shí)現(xiàn)復(fù)雜鏡頭的設(shè)計(jì)，利用可微光線追跡可實(shí)現(xiàn)緊湊結(jié)構(gòu)與大視場成像，并通過課程學(xué)習(xí)策略避免局部最優(yōu)；2）對圖像識(shí)別特化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，有研究表明放寬成像約束、直接以識(shí)別準(zhǔn)確率為優(yōu)化目標(biāo)可顯著提升性能；3）利用端到端設(shè)計(jì)的綜合平衡能力，可以實(shí)現(xiàn)擁有某些極端指標(biāo)的特殊系統(tǒng)，例如犧牲一部分像質(zhì)實(shí)現(xiàn)超大視場，景深擴(kuò)展，緊湊結(jié)構(gòu)以及大動(dòng)態(tài)范圍的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，而后利用聯(lián)合優(yōu)化訓(xùn)練的網(wǎng)絡(luò)重建像質(zhì)；4）衍射光學(xué)領(lǐng)域，利用端到端框架實(shí)現(xiàn)消色差設(shè)計(jì)，解決了衍射光學(xué)元件（DOE）波長敏感的問題；5）利用編碼元件和聯(lián)合優(yōu)化的光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多維光場成像，最新研究已經(jīng)實(shí)現(xiàn)波長-深度-圖像的四維光場重建；6）在成像視野遮擋的任務(wù)場景中，通過聯(lián)合優(yōu)化DOE和重建網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了被遮擋目標(biāo)的恢復(fù)。
總體來看，端到端光學(xué)設(shè)計(jì)正在突破傳統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)的諸多難點(diǎn)，切實(shí)的在多領(lǐng)域內(nèi)完成一個(gè)個(gè)應(yīng)用突破。
3、未來展望
目前AI輔助光學(xué)設(shè)計(jì)在兩種技術(shù)路線中都實(shí)現(xiàn)了重大突破，實(shí)現(xiàn)了從理論到應(yīng)用的躍變。
在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)生成光學(xué)設(shè)計(jì)方面，未來的技術(shù)發(fā)展可能主要集中在如何實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)生成，例如折反混合系統(tǒng)、折衍混合系統(tǒng)以及具備更多調(diào)控能力的系統(tǒng)的直接生成。而應(yīng)用發(fā)展則可能如開篇所設(shè)想的，開發(fā)一款A(yù)I賦能的、從結(jié)構(gòu)生成到實(shí)際鏡片的替換的加工裝配一體化系統(tǒng)。
在端到端光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，目前已經(jīng)形成了一種范式，即通過放松接收器像質(zhì)的指標(biāo)而滿足其他特殊要求，實(shí)現(xiàn)原本光學(xué)系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)的功能。未來的進(jìn)展可能主要會(huì)集中在：1）輕量化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，拜托高性能計(jì)算機(jī)的限制，實(shí)現(xiàn)AI+傳感器一體化封裝；2）根據(jù)應(yīng)用構(gòu)建一個(gè)預(yù)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，而后根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景，利用硬件在線（Camera in the loop）方式調(diào)整訓(xùn)練以應(yīng)對環(huán)境變化導(dǎo)致的性能降低；3）利用微納光學(xué)元件代替?zhèn)鹘y(tǒng)DOE實(shí)現(xiàn)更多功能的端到端系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
作者簡介
程德文，北京理工大學(xué)，教授，博士生導(dǎo)師，入選國家級領(lǐng)軍人才。國內(nèi)最早從事自由曲面光學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)頭戴顯示技術(shù)的研究。目前主要從事光學(xué)設(shè)計(jì)、自由曲面光學(xué)、頭戴顯示、視光學(xué)和全息顯示等研究領(lǐng)域。
團(tuán)隊(duì)簡介
北京理工大學(xué)光學(xué)成像與計(jì)算實(shí)驗(yàn)室，聚焦光學(xué)設(shè)計(jì)、自由曲面、VR/AR近眼顯示、計(jì)算成像和微納光學(xué)等方向。發(fā)表SCI論文百余篇，獲專利80余項(xiàng)。團(tuán)隊(duì)現(xiàn)有教授2人，副教授2人，特別副研究員2人，博士及碩士研究生40余人。
