光学设计软件的探索之路 | 写在工业设计软件的边上（下篇）

于磊，中国科学院合肥物质科学研究院安徽光机所

即使是光学工业设计软件，按照其功能细分，也是有非常多的种类，简单列举一下：

在这些光学工业设计软件中，开发难度和研发周期最长的当属通用型设计软件。这些软件在成像、非成像的工程光学和物理光学上都有良好的适配功能，可能在某些功能上不如一些专用设计软件，但胜在综合性能优越，特别是成像光学分析上几乎无可替代，其中的代表就是Zemax和CODE V，已成为光学从业者的标配。

简而言之，光学设计软件的基础核心就是几个核心模块和功能，在此基础上进行的各类开发和应用，使得软件不断丰富和强大。但是就是这几个核心功能和模块，却涉及到了几何光学、物理光学、图形学、数学和计算机学等多个学科的交叉应用，其实现步骤和方法的繁复并非一朝一夕所能轻易实现。

实际上，评价一个软件的标准可以精简为两个必须，即必须有近乎与物理实际情况完全一致的精度，以及保持这一计算精度下必须达到的速度。精度达不到，设计仿真分析的情况就会变化，甚至在某些极端情况下会产生质的偏差而导致设计错误。速度达不到，设计生产效率低下，资源耗费严重，难以实现理想的优越设计。

以光线追迹为例，这项功能看似简单，却可谓光学设计软件的核心基础。如何在不同的介质中和不同的镜片组合设计中，对物理世界无穷多的光线进行精准和快速的采样追迹，并使之能够准确和完整的反映真实物理特性，是一切光学分析和仿真的基础。在这个核心功能的实现中，就包含了几何光学光线在近轴和非近轴情况下的传输路径分析，光线和不同介质与不同光学表面面型的求交，物理光学惠更斯波前路径传输分析等等一系列繁琐的计算和仿真分析，以及对应提升计算速度的诸多算法。

再以光学成像系统优化为例，Zemax和CODE V在此方面做的非常杰出，这其中CODE V做的更胜一筹，这也是这两款软件深受设计者喜爱的主要原因。实际上，两种软件所采用的算法几乎没有太多的隐藏，结合当时软件发展的时代背景，选择的都是在当时最为先进的算法，包括局部优化所用到的遗传算法和全局优化所用到的阻尼最小二乘法与正交下降法等。这些算法虽然在今天看来略为落后，却是实打实有效且经济的算法，在设计优化的过程中发挥了极为重要的作用。但是在光学系统设计中实施这些算法，却有着很多的设定和做法，不同的设计优化准则、不同的操作数和不同的计算速度优化方法等等都会使具体实施时的结果大相径庭。在此功能的实现上，更需要强大的光学与计算机能力的支撑。

总结起来，如何在国内实现既叫好又叫座的光学设计软件，或者说推而广之实现光机设计软件乃至工业软件，可能至少需要以下的技术特质：

如前所述，其实现的基础涉及数学、物理学、光学、计算机学、软件工程等多学科的深度融合交叉，需要一个具备较深综合造诣的核心团队进行持续的开发。并需要在开发之初就要实现理论-实践-用户反馈的闭环开发过程，开发者需要与用户和实际用例产生尽可能多的连带关系，通过海量的实例测试确保软件开发的准确性。这一过程说来简单，但是在实际操作时就比较困难，当今的强大软件都是在发展过程中通过客户的实际应用进行的反馈和改进。

一个全面的底层软件框架构建和顶层设计是具备优越性能的软件研发的基础。作为后发者，完全可以比照现有先进软件的功能和框架进行总体设计，并对冗余设计功能进行精简，以实现更为简洁和高效的内核开发，这是后发者的优势。另外，在软件开发的过程中，应始终把计算精度和速度作为一切功能优化开发的基准，这就需要开发团队还必须时刻保持对计算机优化算法的持续跟踪与实现能力，以确保软件版本更迭可以满足主流甚至是未来的需要。

虽然能够实现可以对标原汁原味的Zemax和CODE V的国产化软件就已经是很了不起的一件大事了，但是从未来的发展需要上来看，仅仅是单纯的复制和沿袭其所能达到的上限是不可能超越现有设计软件能力的。我们要做的并不只是简单的国产化，而是独树一帜，在并不遥远的未来可以实现反向输出，用我们的软件去取代现有的高端软件，真正掌握国际话语权。

目前来看，有几个方向是值得从业者去探索和追求的。在设计效率提升上，首先是现代优越算法和处理方法的深度融合。实际上，以光学系统优化功能为例，这项功能设计上是一直在路上的，如何解决系统参数在局部最优上的震荡和全局最优的快速搜索，在很多情况下更依赖的是设计人员的设计功力，特别是在具有极端性能的系统设计仿真上。

AI的快速发展，机器学习的能力提升以及现代计算机的算力发展，都给了系统优化设计以可行之路。特别是在无数先进光学系统存在的今天，我们甚至有可能通过大数据和深度学习结合的方式，实现最优光学系统结构的快速搜索和建模，从而大大缩小资深设计师和初级设计师之间的能力差距。

其次，软件的云端布置和简易内核驱动，将省去企业的复杂软件安装和运行环境设置，在不同的移动用户端都可以实现快速的实时交互。另外，GPU的引入与多线程并行计算的方法，也可大大提升软件运行的效率。

在功能扩展上，自由曲面是未来工程光学的一个重要发展方向，现代设计软件有很多的自由曲面面型表达方式，但是由于计算效率的影响，使得很多复杂面型如NURBS等曲面的优化在这些软件中还没有形成独立的功能。虽然使用者可以利用软件自带的编程功能进行二次开发和设计，但是这些功能毕竟还是有很强的针对性的。构建具有最复杂特性的自由曲面并实现优化能力，可以作为未来的一个发展方向。

光学系统最终的实现离不开光机结构的支撑，光机一体化的联合设计能力，以及力、热多物理场耦合分析能力始终是光机软件巨头们所暗自竞争和发展的目标与方向。唯有综合性的设计才最有可能贴近真实的物理环境，而目前相对割裂的设计和仿真分析环节在不同软件所形成的壁垒中既增加了误差，也增加了许多无谓的消耗。可以说，如果能实现光机一体化的设计研发能力，将对工业制造业特别是光电高端仪器产业产生革命性的影响，是未来的一大重要发展趋势。

光学设计软件乃至所有的工业设计软件，如果想要得到良性的发展，可能需要以下几个因素：

在现阶段，国外先进工业软件特别是光学设计软件强敌环伺，国内软件市场相对萎靡。在土壤不利的情况下，没有国家提纲挈领地引导，将无法产生强驱动力，会使目前国产工业软件的局面继续恶化下去。可喜的是，国家现在已经开始这方面的投入。笔者认为，这种重视和投入需要体现在资金投入和政策引导上，并可以在不同的层次上进行区分：

第一个层面，通过自顶向下的纵向基金和重大课题研究设置，集合先进研发力量，重点解决软件中的核心理论关键技术。科研院所和学校在此类研究上具备一些天然优势，长期光学行业的浸润，使得从事光学设备研发的单位（比如中科院长春光机所、西安光机所、北京理工大学等知名单位）积累了大量的光学系统设计经验，以及极其丰富的复杂精密光学系统。他们的光学理论功底较为深厚，且为行业培养了一大批光学事业的人才，这对于相关软件的研发特别是理论基础的构建具备很好的作用。

但是，如果要做出优质、合适的国产替代软件，仅仅依靠院所和学校是远远不够的。由于软件架构方面人才的相对薄弱，使得这些单位在进行开发时往往是从光学设计者的角度出发，缺乏大型软件的构架能力，在计算机优化算法的执行上也相对比较差，容易产生精度够了，速度不足的问题。因此这一部分的发展主要是完成后备力量储存的保障，为彻底封锁时的最坏情况提供基本保障，同时为软件真正建立和发展提供理论基础。

第二个层面，在前者的基础上有效融合学校、科研院所的研发成果，通过调研和考察，在国内确定一批正在踏实从事关键核心软件研发的企业，设置投资基金，对它们进行定期的投入和筛查，推动软件层级的工程化和实际应用，同时鼓励民间资本进入，推动软件市场机制的进一步发展。实际上目前并不是没有正在做工业设计软件的企业，相反民间有很多有识之士正在艰难的寻求探索和发展之路。

以光学设计软件为例，现在就有一些单位和公司组织了研发力量在进行攻关。最可喜的就是老牌强势光学研究单位长春光机所最新研发的GODAS，代表着国家队开始进入这一国产软件替代的赛道。此外，如软件所研发的SeeLight，南京米纳光电开发的CAXCAD，将光学设计软件开发作为主要发展方向之一的苏州设云公司所发布的Lyteflow Optics，其精度、速度和未来发展的独特功能都有其鲜明特色。此外还有不少有识之士在持续耕耘，目前数量虽少，但只要持续坚持，相信星星之火终将可以燎原。

第三个层面，投入一定的资金和实施相关政策，鼓励用户使用国产替代的光学设计软件和工业软件，通过用户的反馈和使用效果，形成合理的评估机制和良好的进入和退出机制，加速市场调控能力，迅速建立宏观的工业软件研发体系。

如前所述，实现我国智能制造产业升级，就必须弥补工业软件的短板。研发设计类工业软件方面，海外巨头在我国的市场占有率接近90%，如果算上盗版，其份额会更高。具体到光学领域，这一数字更是会无限接近于100%。全世界光学产业的份额已经达到了万亿级别，未来还会持续增长，在光学产业上可能爆发的增长点数不胜数，我们在奋力赶超国外先进光学产业的同时，绝不能忽视光学设计软件这一重要的关键卡脖子领域。各大企业、单位完全可以总结提炼自身的光学设计需求，为软件研发单位明确需求和发展方向。同时结合自身在光学、光电设备上的研发需要，为软件研发单位提供一定的研发资金，使其研发的软件功能可以为自身良好的服务，达到用子弹喂出神枪手的效果。

现阶段的工业软件研发，特别是如光学设计软件之类的冷门领域，需要一批有志者的投入。但是现阶段，存有此种理想和抱负的人并不多，受困于现有的一些形势，可能很多人已经望而却步或者最终遗憾退场。那么，一方面，通过前面的国家与行业的引导，保住现有的研发力量，让他们不至于快速消亡，另一方面，就需要从后备人才的培养着手，实现可持续的发展。

实际上，从前面的分析我们可以看出，最大程度的维持用户习惯和保证用户的连贯性是延续工业软件可持续发展的重要条件和标准之一。这就要求我们一定要从大学和研究生教育出发，从早期就开始培养人才和规划未来。十年树木，百年树人，将我们的国产替代软件尽早地投入到教育中，将学生走入工作岗位后继承下来的行业应用惯性在一开始就进行解决。从初始阶段就对用户的使用习惯进行培养，打破典型的用户粘性，这项任务需要多方面协作，任重而道远。

总之，走最踏实的路，怀最远大的梦，行最切实的开发研究，工业设计软件、光学设计软件，道阻且长，行则将至。