在本科学习时，我较为系统地学习了应用光学和光学设计的知识，当时就了解到光学设计“既是科学也是艺术”。我个人觉得光学设计是个非常有意思的方向，能够在严谨的学术研究中发挥自己的创意，所以一下子就对它产生了浓厚的兴趣。

在我确定进入清华攻读博士学位后，恰好我的导师朱钧教授负责有关于自由曲面光学的973项目课题，而项目牵头单位正好是我本科所在的天津大学，我又熟悉光学设计的知识和和相关软件的用法，因此我就顺理成章地开展了自由曲面成像光学的研究工作。

光学设计这个研究领域虽然已经有了非常久的历史，但还有许多很基础的问题亟待突破。举几个简单的例子：光学设计是一个不断追求完美的工作；如果能够通过研究得出在给定面形自由度与约束条件下可以达到的大致极限像质，或者得出在给定像质标准下能达到的大致极限系统参数，将有力地指导设计者完成相关设计工作或者制定相关设计方案，大幅提高设计效率。

另外，系统的优化要面对一个高度复杂非线性的评价函数，如何能够智能化的快速找到满足光学成像要求的全局最优解，也是光学设计领域亟需解决的问题。解决以上这些问题对于结构与面形更为复杂的自由曲面系统来说，变得更为重要，也更为棘手。

除此之外，我也希望将自由曲面光学更多地应用于光电系统与仪器中，这需要在自由曲面设计、制造、装配等方面形成一条协同链路。同时，我们也在积极探索将自由曲面光学同全息光学、微纳光学进行结合，将各种元件的优势和特点充分地整合，以研制得到结构更为紧凑、功能与指标更为先进的系统，并应用到新一代先进光学成像与显示系统中。

我目前的研究主要集中在自由曲面光学。自由曲面是一般是指有非回转特性的几何光学曲面，相对于传统球面或非球面，自由曲面可为光学系统设计提供更多的自由度，进而可以大幅提升系统的指标和成像质量，显著降低系统的体积重量和使用的元件数量、实现传统系统无法实现的特殊功能与灵活结构。因此，自由曲面被认为是光学设计领域的一次革命性的发展。

我们从理论和应用两个层面开展自由曲面光学的研究工作。在理论和方法层面，重点研究普适化、高效率、大幅降低人工参与的系统设计方法；在应用层面，则研究将自由曲面实际应用于有先进系统参数、高成像质量、结构紧凑的系统，例如近眼显示系统、空间光学系统、光谱仪、新型相机、光刻物镜等。同时我们也在开展新型成像光学设计软件的研制工作。

在成像系统中使用自由曲面是一把“双刃剑”，虽能大幅提升系统设计潜力，但也可能为成像系统设计带来很多困难。传统球面光学设计的一些技术不再适用，需针对复杂自由曲面成像系统设计建立合适、新型的设计理论与方法作为理论基础，并指导应用研究。我在博士期间的主要工作，就是要得到一种能够根据系统的参数、物像关系和结构要求，直接逐点构建得到自由曲面面形和系统的方法，这样就可以有效克服复杂自由曲面系统初始结构极度匮乏、设计易失败、且需要大量人工参与的难题。经过不懈的努力以及导师的执灯引路，在一次次失败与不断的方法改进后，我们实现了考虑三维空间多视场/多孔径/多波长/多重结构光线进行多个离轴自由曲面的直接逐点设计，并用于各类系统设计。

目前我加入了北京理工大学王涌天教授的团队。近年来我们也将深度学习和强化学习等方法和自由曲面光学设计相结合，并实现了满足要求的系统实时生成以及系统全自动设计和经验归纳，这有可能成为改变光学设计几百年来固有范式的变革性技术。

阅读综述论文是科研人员快速了解相关领域背景和进展的重要途径。在我读博开展自由曲面光学研究的初期，仅在国外期刊上有几篇有关于本领域的综述论文，且多偏重于制造和测试。当时只能是通过阅读相关的研究论文，加上自己的反复试错，进而拼凑出该领域的理论基础、方法体系与应用现状等。

在我成为老师几年后，发现在自由曲面成像领域，国内外依然没有相关的长文综述论文。而我们在该领域已经有了丰富的积累和较为深入的理解，因此我们决定撰写国内期刊第一篇有关于自由曲面成像光学的长文综述，希望为从事光学设计与成像显示系统研究的相关读者提供一些指导和参考。（论文链接：《自由曲面成像光学系统设计：理论、发展与应用》）我们欣喜地看到，该论文发表之后得到了国内外同行的广泛关注，一直位于光学学报论文下载量的前列，论文也荣获了中国激光杂志社主编推荐奖。这也能够反映出自由曲面光学是目前是各研究机构、企业等非常关注的方向之一，更加激励我们进一步深入开展相关的研究工作，推动相关研究在国家经济发展重要领域的应用。同时，论文能够得到大家的广泛关注，离不开中国激光杂志社以及《光学学报》各位编辑的大力帮助和宣传，在此特别表示感谢！

我认为做科学研究，阅读相关书籍和论文非常重要，但是更重要的还是要亲自上手实践，这样才能最快地掌握相关的知识和技能，并且能够发现和体会其中的关键科学问题和技术问题。在确定课题方向时，应该本着解决领域内关键问题和推动领域进步为出发点，而不是仅仅考虑毕业、发论文等。站的层次越高，收获自然就越多。

另外，科研过程中遇到起伏很正常，不可能一直顺风顺水，事情也没有绝对的好坏之分。在顺境时，应该能对自己的研究的不足有清醒的认识；在低谷和不顺时也能够随顺因缘，保持积极心态，感谢挫折对自己的磨练，总结问题并不断改进。对于论文写作，应该本着对自己以及读者负责的角度，反复打磨，追求完美。同时，应该从读者的角度进行写作，让读者看过论文后能清晰的知道工作的思路，使论文最大限度的发挥其价值。

近年来我在中国激光杂志社出版的英文刊和中文刊上共发表了6篇论文。中国激光杂志社出版的期刊层次分明，处理专业，审稿速度较快，为我们科研工作者提供了很好的出版平台。比如我自己以及作为合作者在《光学学报》上发表和录用的几篇论文，在投稿后都是1-2天便进入到审稿流程，并较快收到了审稿意见。

近年来中国光学领域的期刊发展非常快，其国际影响力也得到了显著提升。现在我也很荣幸成为了《光学学报》期刊的青年编委会的一员，希望能为期刊的发展多贡献自己的力量。

代表论文：

1.　Tong Yang, Yongdong Wang, Dongwei Ni, Dewen Cheng*, and Yongtian Wang, "Design of off-axis reflective imaging systems based on freeform holographic elements," Optics Express, 30, 20117-20134 (2022).

2.　Wenchen Chen, Tong Yang*, Dewen Cheng, and Yongtian Wang, "Generating starting points for designing freeform imaging optical systems based on deep learning," Optics Express, 29, 27845-27870 (2021). (Editors' Pick)

3.　Tong Yang, Dewen Cheng*, Yongtian Wang, "Designing freeform imaging systems based on reinforcement learning," Optics Express, 28, 30309-30323 (2020).

4.　杨通, 段璎哲, 程德文, 王涌天*. "自由曲面成像光学系统设计:理论、发展与应用," 光学学报, 41, 0108001 (2021). (特邀综述、2021年度中国激光杂志社主编推荐奖，2021年度《光学学报》下载Top 10)

5.  Tong Yang, Dewen Cheng*, and Yongtian Wang, "Aberration analysis for freeform surface terms overlay on general decentered and tilted optical surfaces," Optics Express 26, 7751-7770 (2018).

编辑 | 吕璇