معرفی

«طراحی اپتیکی» بنیادی‌ترین و مهمترین مبحث در مهندسی اپتیک است. اگر به مهندسی اپتیک به مثابهٔ مهار نور برای رسیدن به نوعی کارکرد خاص از آن نگاه کنیم، طراحی اپتیکی در‌ واقع بخش اصلی این فرآیند را تشکیل می‌دهد. در طراحی اپتیکی با بهره گرفتن از نظریات، مدل‌ها و روش‌های محاسباتی در حوزهٔ اپتیک، سعی می‌شود سیستمی طراحی شود که رفتار نور را متناسب با نیاز تعریف شده تغییر داده و آن را مهندسی کند. منظور از رفتار نور در این حوزه عموماً «نحوهٔ انتشار نور» است. برای مهندسیِ نحوهٔ انتشار نور، ابزار اصلی ایجاد تغییر در شرایط محیط است. در‌ واقع محیط‌های استانداردی موسوم به قطعات اپتیکی در مسیر نور قرار داده می‌شود تا نوع انتشار آن را تغییر دهد. شکل هندسی و خواص فیزیکی این محیط‌ها عملکرد آنها را تعیین می‌کند. منظور از شکل هندسی، شکل مرزهای جدایی این محیط‌های استاندارد با محیط اطراف، موقعیت فضایی، جهت‌گیری فضایی، گسترهٔ طولی (ضخامت) ، گسترهٔ عرضی (قطر) و تقارن هندسی آنهاست. خواص فیزیکی هم عمدتاً خواص نوری بخصوص ضریب شکست و پاشندگی را در بر می‌گیرد.

سیستم‌های اپتیکی

خروجی هر طراحی اپتیکی یک «سیستم اپتیکی» است. سیستم اپتیکی، سیستمی است برای جمع‌آوری و توزیع نور به شکل مشخص و تعریف‌شده. نام دیگر سیستم اپتیکی «عدسی» است. به همین خاطر به طراحی اپتیکی، «طراحی عدسی» نیز گفته می‌شود. (دقت کنید که لفظ عدسی در اینجا معنای عامتری از کاربرد آن در متون عمومی دارد. در آنگونه موارد بهتر است از لفظ «عدسی ساده» استفاده کنیم. علاوه بر این با معنای متعارف آن در اپتیک هندسی نیز تا حدّی تفاوت دارد. به همین دلیل در اینجا برای ارجاع به سیستم‌های اپتیکی کمتر از لفظ عدسی استفاده خواهد شد.)

سیستم اپتیکی یا عدسی معمولاً از ترکیب «قطعات اپتیکی» ساخته می‌شود.یک قطعهٔ اپتیکی توزیعی خاص از محیط‌های اپتیکی با مرزهای مشخص است. ویژگی‌های هندسی و فیزیکی این محیط‌ها و مرزهایشان معین است. انتظار می‌رود هر قطعهٔ اپتیکی عملکرد نوری خاصی را از خود بروز دهد. به عنوان مثال، یک عدسی محدب ساده، یک آینهٔ ساده، یک آینهٔ مقعر، یک منشور و یا یک توری پراش را می‌توان به عنوان یک قطعهٔ اپتیکی در نظر گرفت که هرکدام عملکرد مشخصی دارند.هر قطعهٔ اپتیکی، خود یک سیستم اپتیکی ساده است.
مشابه این مسئله را می‌توان در حوزهٔ مهندسی الکترونیک دید. هر «سیستم الکترونیکی» از مجموعه‌ای از «قطعاتِ الکترونیکی» مانند مقاومت، ترانزیستور، خازن و غیره تشکیل می‌شود. هریک از این قطعات ساختار و کارکرد مشخصی دارند. یک مدار الکترونیکی از کنار هم قرار دادن طراحی‌شدهٔ تعدادی از این قطعات ساخته می‌شود. عملکردِ تک تک قطعاتِ الکترونیکی بستگی به نوع چینش و جنس فیزیکی مواد سازنده آنها دارد. در هر مورد، قطعه به گونه‌ای طراحی می‌شود که یک یا چند ویژگی مورد نظر مثلاً مقاومت الکتریکی و یا ظرفیت خازنی برجسته شده و بطور هدایت‌شده‌ای خود را نشان دهد. سیستم‌های مکانیکی نیز از «قطعاتِ مکانیکی» مانند دنده، تسمه، اهرم، چرخ طیاره و غیره تشکیل می‌شوند که هر کدام با طراحی خاص خود عملکردی مثل انتقال نیرو، گشتاور، ذخیره‌سازی انرژی مکانیکی و غیره را ایفا می‌کنند. «سیستم مکانیکی» هم چینشِ طراحی‌شده‌ای از قطعات مکانیکی است که از کارکرد تک تک آنها بهره می‌گیرد تا عملکرد نهایی خود را داشته باشد. به همین منوال، انتخاب و چینشِ طراحی‌شدهٔ قطعاتِ اپتیکی، یک سیستم اپتیکی را می‌سازد. مثلاً ترکیب حساب‌شدهٔ مجموعه‌ای از عدسی‌های ساده، یک یا چند روزنه و احتمالاً چند آینه و منشور منجر به طراحی و ساخت یک «دوربین عکاسی» خواهد شد.

ساخت یک سیستم اپتیکی مستلزم آن است که قطعات اپتیکی یا همان محیط‌های مجزا در موقعیت‌ها و جهت‌گیری‌های کاملاً مشخص قرار گیرند. با توجه به دقت بالای نور، این استقرار فضایی باید با دقت و وسواس بسیار بالایی انجام شود تا وضعیت ایستای (استاتیک) مشخص‌شده برای سیستم تأمین گردد. از طرفی سیستم باید موقعیت خود را در حالت‌های پویا (دینامیک) نیز حفظ کرده و یا متناسب با آن تغییر دهد. این امر آنقدر مهم است که ساخت یک سیستم اپتیکی، حتی ساده‌ترین آنها، نیز بدون در نظر گرفتن ملاحظات مکانیکی غیر ممکن است. بنابراین یک طراحی اپتیکی‌ که فارغ از قیود و محدودیت‌های مکانیکی انجام شده باشد در حین ساخت با مشکلات عدیده‌ای مواجه خواهد شد. در نظر گرفتن و نحوهٔ پیاده‌سازیِ محدودیت‌های مکانیکی در ساخت سیستم‌های اپتیکی موضوع مبحث «اپتومکانیک» است. مبحثی که هیچ طراح سیستم‌های اپتیکی از آن بی‌نیاز نیست.

هر سیستم اپتیکی را می‌توان به «زیرسیستم»های کوچکتری شکست. به عنوان نمونهٔ این زیرسیستم‌ها می‌توان از «عدسی میدان»، «عدسی چشمی» و «عدسی شیئی» (یا بطور خلاصه «چشمی» و «شیئی») نام برد. شکستن یک سیستم کلی به زیر سیستم‌ها اساس کار «طراحی بالا به پایین» را تشکیل می‌دهد که برای طراحی موفق یک سیستم پیچیده،یکی از مؤثرترین روشهاست و امکان طراحی گروهی را نیز فراهم می‌کند. این نوع طراحی را «طراحی قطعه‌وار» یا «طراحی پیمانه‌ای» می‌گویند.

فرآیند طراحی اپتیکی

فرآیندِ طراحی اپتیکی، یک مسئلهٔ بهینه‌سازی است. در‌ واقع طراحی اپتیکی را می‌توان بصورت «فرآیندِ یافتن بهترین مجموعه از پارامترهای ساختاری عدسی برای بهینه‌سازیِ عملکردِ کلی سیستم اپتیکی» تعریف کرد. منظور از پارامترهای ساختاری، متغیرهایی چون شعاعِ انحنا، ضخامت، قطر، فواصل هوا و جنس موادِ سازندهٔ قطعات اپتیکی است.

همانند هر فرآیند بهینه‌سازی دیگری در اینجا نیز نیاز به پیمودن مراحل مشخصی است. ابتدا باید سیستم تعریف شود. تعریف سیستم بر مبنای تعریف متغیرها، پارامترها و قیود و نیز قوانین (معادلات) حاکم بر سیستم انجام می‌شود. سپس «تابعِ هدف» باید تعریف شود. این تابع، هدفِ نهایی از بهینه‌سازی را مشخص می‌کند یا بعبارتی حالت بهینهٔ سیستم را مشخص خواهد کرد. این تابع بر اساس متغیرها و پارامترهای سیستم و با اعمال قیود تعریف می‌شود. قیود ممکن است بصورت محدودیت در دامنهٔ تغییرات یک یا چند متغیر و پارامتر باشند و یا متغیرها را به نحوی به هم مرتبط کنند که رفتار مستقلی نداشته باشند. هم تعریف سیستم، هم تعریف قیود و هم تعریف تابعِ هدف معمولاً بصورت روابط ریاضی به شکل تابع بیان می‌شوند، اما ممکن است بصورت‌‌های گسسته و یا ترسیمی نیز بیان شوند.
پس از تعریف سیستم و تابعِ هدف، فرآیند بهینه‌سازی با انواع روش‌های ریاضی آغاز می‌گردد. این روش‌ها شامل روش‌های تحلیلی، روش‌های ترسیمی، روش‌های عددی، روش‌های تکراری (تحلیلی و عددی)،روش‌های تقریبی (تحلیلی و عددی)، روش‌های استنتاجی (هوش مصنوعی) و غیره می‌باشد. مبحث گسترده و عمدتاً ریاضی «روش‌های بهینه‌سازی»، ابزاری ایده‌آل برای نزدیک شدن به این دسته از مسائل است. هر چه مسئلهٔ بهینه‌سازی پیچیده‌تر شود یعنی متغیرها، پارامترها و قیود بیشتری داشته باشد و یا روابط بین آنها پیچیده‌تر شود، حل آن مشکل‌تر خواهد بود. به این معنا که مسائلی مانند وجود یا عدم جواب، منحصر بفرد بودن یا نبودن جواب، یافتن جواب بهینه در بین جوابهای مختلف سیستم و میزان تقریب یا نزدیکی آن به جواب بهینهٔ مطلق بروز خواهد کرد که لزوماً همواره نمی‌توان پاسخی برای آنها یافت. غیر خطی بودن سیستم و یا تابع هدف نیز ممکن است این مسائل را تشدید کند. علاوه بر مبحث بهینه‌سازی، مباحث «مسائل وارون»، «تخمین پارامتر» و «تخمین مدل» و فرمولبندی‌های ریاضی آنها نیز ارتباط نزدیکی با فرآیند بهینه‌سازی دارند.

در طراحی یک سیستم اپتیکی هم با این نوع بهینه‌سازی مواجه هستیم. یک مثال می‌تواند موضوع را مشخص‌تر کند. سیستم اپتیکی ساده‌ای متشکل از سه قطعه اپتیکی یعنی دو عدسی ساده و یک دیافراگم را در نظر بگیرید. کارکرد سیستم را تشکیل تصویر در نظر می‌گیریم. دو کمیت اصلی معرف کارکرد این سیستم «روزنه عددی» (توان جمع‌آوری انرژی نورانی) و «میدان دید» است. در‌واقع می‌خواهیم سیستمی با مقادیر مشخص از این دو کمیت طراحی کنیم که بهینه باشد. طبیعتاً منظور از بهینه بودن، ایجاد بهترین تصویر ممکنه از اجسامی است که در میدان دید قرار می‌گیرند. مفهوم بهترین تصویر را باید بطور کامل روشن کرد. اگر یک سیستم ایده‌آل اپتیکی داشتیم، تصویر می‌بایست نگاشتی از جسم باشد که با آن تشابه هندسی کامل دارد. اما در عمل چنین چیزی ممکن نیست. انحراف از این حالت ایده‌آل را «ابیراهی» یا «کجنمایی» می‌نامیم. بنابراین بهترین تصویر یعنی نزدیکترین تصویر به جسم یا بعبارت دیگر کمترین ابیراهی.

دقت کنید که تصویر باید دو ویژگی جسم را بطور کامل بازسازی کند: نخست توزیع فضایی هندسی جسم و دیگر توزیع شدت انرژی نورانی در این ناحیه. بعبارت دیگر هم باید شکل جسم حفظ شود و هم تابش آن. البته می‌توان یک ضریب بزرگنمایی (یا کوچکنمایی) هم در شکل و هم در تابش داشت، مشروط بر اینکه بصورت یکنواخت بر کل توزیع هندسی و توزیع تابشی جسم اعمال شود. از نظر هندسی این به معنای حفظ نسبت‌های بین فواصل و زوایاست و از نظر تابشی یعنی حفظ تباین (contrast) تصویر در نقاط مختلف. این حالت ایده‌آل است و در عمل دست‌نیافتنی.

ابیراهی‌ها به نحوهٔ قرارگیری قطعات اپتیکی (موقعیت نسبی و جهت‌گیری)، شکل مرزهای جدایی محیط‌های اپتیکی که توسط قطعات تعریف می‌شوند و نیز ویژگی‌های نوری محیط‌های فیزیکی تشکیل‌دهندهٔ سیستم بستگی دارند. از طرفی بسیاری از ابیراهی‌ها به ویژگی‌های پرتوهای نور نیز وابسته هستند، از جمله به طول موج نور، جهت‌گیری پرتو نسبت به سیستم اپتیکی و نحوهٔ توزیع پرتوهای نور در یک باریکه.

با توضیحات فوق بنظر می‌رسد بهینه‌سازی در سیستم ما یعنی کاهش ابیراهی. در نتیجه می‌توان ابیراهی را به عنوان تابعِ هدف انتخاب و آن را کمینه کرد. امّا در‌ واقع امر مسئله کمی پیچیده‌تر است، چون ابیراهی‌ عوامل مختلفی دارد و با انواع آن سروکار داریم. ابیراهی‌ها منشاء‌های مختلف دارند و کمینه‌کردن هر کدام الگوی خاص خود را دارد. تلاش برای کاهش یک نوع ابیراهی ممکن است در تضاد با کاهش ابیراهی دیگر باشد. بنابراین باید دقیقاً مشخص کرد که چه کجنمایی در تصویر برای ما اهمیّت بیشتری دارد و کدامیک کم‌اهمیّت‌تر است. پس اگر چه در حالت کلّی تقریباً برای تمام سیستم‌های اپتیکی تصویرساز، تابعِ هدف همان ابیراهی است و منظور از بهینه‌سازی کاهش آن است اما در هر حالت لازم است تابع هدف یا همان ابیراهی بطور خاص مشخص شود. بخش مهمی از کار طراحی اپتیکی بدست‌آوردن شکلی ریاضی برای ابیراهی‌های موجود و مهم در سیستم است.

از دیدگاهی دیگر می‌توان، توابع هدف دیگری را تعریف کرد که اگر چه از ابیراهی استخراج می‌شوند امّا بیانی کلّی‌تر از کیفیت تصویر را در مجموع ارائه می‌دهند. در این حالت از «معیارهای کیفیت تصویر» سخن به میان می‌آید. سنجش کیفیت تصویر مبحثی گسترده در حوزهٔ طراحی اپتیکی است که در ادامه بطور مفصل به آن پرداخته خواهد شد. چند نوع رهیافت مستقل به مسئلهٔ سنجش کیفیت تصویر وجود دارد و در هر کدام از آنها چندین نوع کمیت و متغیر تعریف می‌شود. در فرآیند بهینه‌سازی سیستم ممکن است تابعِ هدف یک یا چند متغیر از یکی از حوزه‌های سنجش کیفیت تصویر انتخاب شود.

اگر به مثال خود برگردیم، با این توصیفات باید در ابتدا ساختاری کلی برای سیستم انتخاب کرد و در وهلهٔ بعد برای این ساختار تابع عملکرد سیستم را بدست آورد. برای این کار لازم است که متغیرها و پارامترهای سیستم را مشخص کنیم. به عنوان مثال موقعیت، شعاع‌های انحناء، ضخامت و قطر دو عدسی و نیز موقعیت و قطر دیافراگم می‌توانند متغیرهای سیستم باشند و ضریب شکست دو عدسی را می‌توان به عنوان پارامتر انتخاب کرد. در مرحلهٔ بعد باید ابیراهی‌ها را بازای این ساختار برای پرتوهای مختلف نور بدست آورد. یک یا چند ابیراهی انتخاب می‌شود که باید کمینه شوند. به عنوان نمونه ممکن است مایل باشیم که «ابیراهی کروی» و «اعوجاج» را حداقل کنیم. (از طرفی می‌توان یک یا چند کمیت را به عنوان کمیت‌های کیفیت تصویر انتخاب کرد، مثلاً «اندازهٔ لکه» و «تابع انتقال تباین» و آنها را بهینه کرد.). سپس با فرآیندهای مختلف سیستم را مرحله به مرحله بهینه‌سازی کرد. در هر مرحله تصحیحات کلّی یا جزئی بر سیستم اعمال شده و فرآیند فوق مجدداً تکرار می‌شود تا به نتیجهٔ نسبتاً رضایتبخشی در طراحی رسید.

هیچ مسیر استانداردی برای طی‌کردن مراحل فوق وجود ندارد. انجام هر مرحله معمولاً مستلزم انجام محاسبات بسیار زیاد و خسته‌کننده است که باید با دقت بالایی انجام شود. در سالیان اخیر این بخش از کار به عهدهٔ کامپیوترها و برنامه‌های طراحی سپرده شده است اما این مسأله از پیچیدگی فرآیند طراحی کم نکرده است. برای غلبه بر پیچیدگی کار نیاز به آشنایی عمیق با نظریه‌های نورشناسی و تسلط تام بر سیستم‌های اپتیکی است و طراح باید شمّ خاص و خلاقیت داشته باشد و واجد تفکر ریاضی و هندسی از سویی و تجربه و مهارت عملی از سوی دیگر باشد. خلاقیت و شمّ لازم برای طراحی اپتیکی، آن را به حوزهٔ «هنر» نزدیک می‌کند. بنابراین طراحی اپتیکی نوعی کار خلاقانه و هنرمندانه است. بسیاری از طراحی‌هایی که در قرون هجدهم تا بیستم میلادی در حوزهٔ طراحی اپتیکی انجام شده و هنوز در مهندسی اپتیک از آنها استفاده می‌شود یا مبنای طراحی‌های جدیدتر بوده‌اند، همپایهٔ آثار هنری این دوره‌ها هستند و اغلب نام هنرمند خود (همان طراح) را یدک می‌کشند. ذکر این نکته از این لحاظ حائز اهمیت است که نباید فراموش کرد که صرفِ دانستن کلیّات طراحی اپتیکی و از آن نازل‌تر صرفِ تسلط بر برنامه‌ها و نرم‌افزارهای کمکی طراحی اپتیکی منجر به ایجاد توانایی در این حوزه نمی‌شود و مانند آن است که کسی بخاطر داشتن مجموعهٔ کاملی از ابزارها و آچارهای مختلف و توانایی کار با این ابزارها خود را یک طراح و مهندس مکانیک بداند.

الگوریتم طراحی اپتیکی

کلیات فرآیند طراحی اپتیکی در مثال بالا دیده شد. اما اگر بخواهیم آن را بصورت الگوریتمی منظم کنیم، ساختار زیر را می‌توان مطرح کرد: ^[7]

1. ۱ - تهیهٔ شناسنامه سیستم و انتخاب شکل کلی عدسی.
   «شناسنامهٔ سیستم اپتیکی»، سندی است حاوی الزامات طراحی آن سیستم. این سند حاوی اطلاعات زیر است:
   • تعریف مشخصات کلّی: نظیر موقعیت جسم و تصویر (در سیستم‌های تصویر پرداز)، روزنه یا دهانهٔ ورودی سیستم، میدانِ دید و ناحیهٔ کاری از نظر طول موج
   • مقادیر تعیین‌شده برای معیارهای سنجش تصویر: معیارهایی از قبیل اندازهٔ لکه، قدرت تفکیک و اعوجاج
   • الزامات مکانیکی سیستم: نظیر طول و قطر محفظهٔ نهایی، جنس و وزن آن.
   • الزامات محیطی سیستم: نظیر دامنهٔ دمای کاری و دمای انبارش سیستم، محدودهٔ رطوبت مجاز، مقاومت در برابر عوامل خورنده و غیره.
   • سایر الزامات از قبیل ویژگی‌های مربوط به جابجایی و نصب سیستم و رابط‌های کاربری سخت‌افزاری و نرم‌افزاری


2. ۲ - انتخاب طرحِ اولیّه
   برای شروع کار باید یک طرحِ اولیه انتخاب کرد. این طرح معمولاً از طرح‌های مشابه و موفق قبلی و با توجه به فاکتورهای روزنه، میدان، طول موج و محفظه انتخاب می‌شود. در صورتی که طرحِ اولیه‌ای وجود نداشته باشد، به یک طرحوارهٔ اولیّهٔ نیاز است. برای این کار فرآیند زیر روی طرحوارهٔ اولیه انجام می‌شود تا طرح اولیه حاصل گردد:
   • به کمک اپتیکِ مرتبهٔ اول سیستم حل می‌شود.
   • بجای قطعات اپتیکی سیستم، مدل «عدسی نازک» جانشین می‌شود.
   • فرآیند بهینه‌سازی و کاهش ابیراهی‌هایِ مرتبهٔ سوم روی این مدل انجام می‌شود.
   • به قطعاتِ مدلِ بهینه‌سازی شده ضخامت افزوده می‌شود تا از حالت عدسی نازک خارج شوند.
   • با بهینه‌سازی مختصری مدل اولیه حاصل می‌گردد.


3. ۳ - طرح اولیه در چند طول موج با روش‌های «ردیابی پرتو» بررسی می‌شود.


4. ۴ - معیارهای سنجش کیفیت تصویر محاسبه شده و تطابق آن با محدودیت‌های کارآیی مندرج در شناسنامهٔ سیستم (نظیر محدودیت‌های مکانیکی، خطا در ساخت، نحوهٔ تولید و مونتاژ سیستم، قیمت و غیره) بررسی می‌گردد.


5. ۵ - در صورت نیاز طرح بهینه‌سازی می‌شود. به این منظور یک تابعِ هدف انتخاب شده و فرآیند بهینه‌سازی سیستم برای فرینه کردن آن تابعِ هدف طی می‌شود.


6. ۶ - در صورتی که طرح حاصل با در نظر گرفتن الزامات مندرج در شناسنامهٔ سیستم قابل قبول نبوده یا غیر قابل پیاده‌سازی باشد، فرآیند به عقب برمی‌گردد و مراحل قبلی تکرار می‌شود. این امر می‌تواند به معنای انتخاب یک طرح اولیهٔ متفاوت و یا تغییر عمده و اساسی در یک یا چند مشخصهٔ اصلی سیستم باشد.


7. ۷ - بررسی امکان ساخت پس از رسیدن به طرح قابل قبول.
   به این منظور باید چند تحلیل مهندسی انجام گیرد. منجمله: تحلیل خطاها، تحلیل پایداری دما، تحلیل اثر پرتوهای سرگردان، تحلیل اثر عوامل محیطی و تحلیل‌های اقتصادی. مقیاس تولید سیستم (تولید انبوه، تولید محدود، تولید تک نمونه) بر این تحلیل‌ها تأثیر می‌گذارد.


8. ۸ - پس از این مرحله طرح کامل می‌گردد امّا ممکن است الزامات پیش‌بینی نشده در حین ساخت دستگاه باعث شود که نیاز به رفوکاری مختصر طرح باشد. معمولاً این تغییرات احتمالی در حین ساخت عملیِ نمونهٔ اولیه (prototype) و یا نمونه‌های مقیاس کوچک (در حالتی که ابعاد سیستم اصلی بزرگ باشد) رخ می‌دهند.

مراحل یاد شده کمابیش عمومی است اما عمدتاً برای «سیستم‌های اپتیکی تصویرساز» تطبیق داده شده‌اند. بخش دیگری از سیستم‌های اپتیکی که از آنها با نام «سیستم‌های اپتیکی غیر تصویرساز» یاد می‌شود، الزامات دیگری دارند و بخشی از ملاحظات فوق در رابطه با آنها یا صادق نیست و یا غیر ضروری است. نمونهٔ بارز سیستم‌های اپتیکی غیر تصویری، سیستم‌های روشنایی و نورپردازی هستند.

پیش‌نیازها

طراحی سیستم‌های اپتیکی عموماً مبتنی بر فرمولبندی‌های اپتیک هندسی است. بنابراین تسلّط کامل بر «اپتیک هندسی» و درکِ عمیق مفاهیم و روش‌های آن، پیش نیاز ورود به مبحث طراحی اپتیکی است. علاوه بر این همانگونه که اشاره شد، چون ملاحظات اپتومکانیکی در طراحی سیستم‌ها نقش عمده‌ای ایفا می‌کنند، مبحث «اپتومکانیک» به عنوان پیش‌نیازِ دیگر طراحی اپتیکی در نظر گرفته می‌شود. از طرفی در بسیاری از سیستم‌های اپتیکی مختلف، منابع نور و / یا آشکارسازهای نوری بخش مهمی از سیستم را تشکیل می‌دهند. بنابراین دانش کافی از حوزهٔ منابع نور، ویژگی‌های آشکارسازها و سنجش نور (فوتومتری) لازم خواهد شد. در کنار این پیش‌نیازهای اصلی، آشنایی حداقلی با اپتیک فیزیکی نیز ضروری است، زیرا پدیدهٔ پراش و تا حدّی قطبش نور در اغلب سیستم‌ها عامل تعیین‌کننده‌ای است که باید در طراحی‌ها در نظر گرفته شود.

در این سلسله دروس، با توجه به اهمیّت داشتن تصویری یکپارچه و منسجم از اپتیک هندسی، به یاری خدا در فصول بعدی مروری جامع امّا فشرده بر اپتیک هندسی انجام خواهد شد. امّا فرض بر این است که خواننده از قبل با اپتیک هندسی آشنایی دارد و این مرور جانشین یک دورهٔ کامل اپتیک هندسی نخواهد بود.