执行摘要

本报告对基于Python的开源光学设计平台Optiland进行了全面的技术评估。报告深入分析了其核心能力、设计哲学、关键优势与当前局限性，并重点评估了其在眼视光学领域，特别是针对视觉模拟、离焦微透镜阵列以及折射-衍射混合型多焦点镜片等前沿应用的可行性。分析表明，Optiland作为一个灵活、可扩展且深度集成机器学习工作流的几何光学仿真平台，表现出卓越的潜力。其核心优势在于其Python原生架构，可无缝融入更广泛的科学计算生态系统，以及其独特的、由PyTorch支持的可微分光线追迹核心，为光学系统的逆向设计和与算法的协同优化开辟了新的可能性。然而，Optiland当前最关键的局限性在于其尚未支持衍射光学元件（DOE）的建模，这一功能缺失使其无法独立完成折射-衍射型多焦点人工晶状体（IOL）或接触镜的设计与分析。综合评估结论是：Optiland是设计和分析纯折射型眼科光学系统（如散光矫正镜片、离焦微透镜）的强大工具；但对于依赖衍射效应的复杂多焦点镜片，当前版本的Optiland只能作为混合工作流的一部分，需与专门的波动光学库（如diffractio）结合使用。本报告最后提出了一个战略性的混合工作流方案，以期在当前阶段弥补其功能短板，充分发挥其在眼科光学创新研究中的价值。

1. Optiland简介：一个现代化的Python光学设计平台

Optiland不仅是一个软件包，更代表了光学设计领域的一种新范式，其特点是开源精神与Python科学计算生态系统的深度融合。

1.1 开源理念与Python生态系统优势

Optiland是一个在Python中构建的开源光学设计平台，旨在服务于专业工程工作流 (1)。它利用了NumPy、SciPy和Matplotlib等成熟的科学计算库，并通过标准的pip包管理器进行安装，极大地降低了使用门槛 (1)。其Python原生应用程序接口（API）支持广泛的脚本编写、自动化和与其他库的集成 (1)。这与传统光学设计软件（如Zemax）通常采用的封闭、专有模式形成鲜明对比 (4)。

这种基于Python的架构所带来的价值远不止于便捷的脚本控制，更体现在其“生态系统效应”上。Python拥有一个庞大且活跃的科学计算社区，催生了众多针对特定领域的专业工具库。例如，在眼科研究领域，PyVisualFields库可用于分析临床视野数据 (7)，而PyOptica和diffractio等库则专注于波动光学和衍射仿真 (8)。这意味着研究人员可以构建一个高度定制化的“乐高积木式”研究流程：使用PyVisualFields分析临床数据以确定设计目标，然后调用Optiland设计定制化的矫正镜片，最后可能用diffractio来验证衍射效应。这种以问题为中心、组合各领域最佳工具的工作模式，是单一、封闭的商业软件难以实现的。因此，Optiland的价值不仅在于其自身的功能集，更在于它能作为一个核心的“几何光学引擎”，嵌入到一个功能更强大、更灵活的研究管线中。

1.2 核心架构：NumPy与PyTorch双后端

Optiland的架构设计精巧，其核心是一个双计算后端。它使用NumPy进行快速的CPU计算，同时利用PyTorch实现GPU加速和至关重要的自动微分（autograd）功能 (1)。用户可以通过相同的API在两个引擎间无缝切换，以适应不同任务的需求 (1)。其性能表现出色，据称在GPU上可达到每秒超过1.5亿次光线-表面相交的计算速度 (1)。

这种双后端设计不仅仅是为了提升性能，它在哲学层面上架起了一座连接两种不同光学设计范式的桥梁。NumPy后端服务于传统的、确定性的光学工程世界：定义一个系统，追迹光线，分析像差——这是一个典型的“正向问题”。而PyTorch后端则开启了一个植根于机器学习和逆向设计的新世界：定义一个期望的输出（例如特定的点扩散函数），然后利用基于梯度的优化算法，反向求解出能够产生该输出的系统参数。Optiland的学习指南中关于强化学习和代理模型的教程明确展示了这一点 (10)。这一架构使Optiland不仅是传统工具的替代品，更是一个支持前沿研究的平台，它将光学系统视为一个可微分的组件，可以被整合到更大的、端到端可训练的模型中。

1.3 在光学设计软件领域的定位

光学设计软件市场长期由成熟的商业软件包主导，如Ansys Zemax OpticStudio、CODE V和Lumerical (4)。这些软件被公认为行业标准，功能全面，但价格昂贵且学习曲线陡峭 (5)。历史上，开源替代品在功能的完备性上有所欠缺 (5)。Optiland旨在提供“专业工程工作流”，包括公差分析、优化和智能材料选择等，将自己定位为一个有力的竞争者 (1)。

Optiland正在开辟一个独特的市场定位：“研究级、生产感知”的软件。它并未试图成为Zemax的完全复刻品，而是服务于那些既不满足于简单的开源工具，又觉得商业软件包过于僵化的用户群体，主要是学术研究人员和企业研发科学家。通过包含公差分析 (1) 和Zemax文件导入 (1) 等功能，Optiland展示了其对制造和专业工作流程的理解。然而，其核心差异化特性——可微分的PyTorch后端——主要吸引的是研究社区。因此，Optiland的战略定位是一个桥梁工具：它足够强大，可以进行专业级别的设计和分析；同时又足够灵活和可扩展，能够支持商业软件因其封闭性而无法支持的、前沿的探索性研究。

2. 核心能力分析

本节将对Optiland的功能集进行细致的、基于证据的评估，从基础建模到高级分析与优化。

2.1 系统建模与光线追迹引擎

Optiland支持通过折射和反射系统进行序列光线追迹 (1)。它提供了一个简洁的、面向对象的API来构建光学系统 (1)，能够模拟多种表面类型，包括球面、非球面、圆锥面和自由曲面 (1)。同时，它还支持组件的倾斜和偏心设置 (10)。其开发路线图包括了对非序列和多光路追迹的支持计划 (1)。此外，软件还集成了基于refractiveindex.info的材料库 (1)。这些功能表明Optiland拥有一个成熟且稳健的几何光线追迹核心，足以胜任各种传统光学系统的设计。自由曲面功能对于现代眼科应用尤其重要，例如模拟定制化的角膜地形图或设计复杂的光学镜片。

2.2 光学性能与成像质量分析

Optiland提供了一套全面的经典分析工具。这包括近轴光学特性计算（如焦距、光瞳位置等） (2)，像差分析（如点列图、光扇图、畸变图） (1)，以及对成像质量至关重要的波前分析。该库能够计算光程差（OPD）图，进行泽尼克（Zernike）多项式分解，并由此计算出点扩散函数（PSF）和调制传递函数（MTF） (1)。一个名为“光刻投影系统的设计”的教程（Tutorial 7a）展示了如何使用这些工具将一个复杂系统优化至近衍射极限的性能 (11)。

这些分析指标（MTF、PSF、Zernike系数）是量化眼科镜片（如IOL）成像质量的黄金标准 (15)。进行Zernike分解的能力对于表征和校正人眼自身的高阶像差至关重要。而MTF是IOL认证的ISO标准中使用的主要性能指标 (18)。因此，对于任何纯粹的折射型眼科镜片（例如，单焦点IOL、普通眼镜片或复杂镜片的基准曲面），Optiland具备了执行全面的、符合行业标准的性能评估所需的完整分析工具集。这为其在至少一部分眼科设计任务中的应用奠定了坚实的专业基础。

2.3 优化与公差分析框架

Optiland包含了基于操作数驱动的评价函数（merit function）的局部和全局优化器，这种模式对于Zemax用户来说非常熟悉 (1)。它还提供了一个名为“GlassExpert”的模块，用于智能选择光学材料 (1)。为了评估设计的可制造性，软件支持参数敏感性分析和蒙特卡洛公差分析方法 (1)。这些“面向生产”的功能至关重要，优化是设计过程的核心，而公差分析则决定了设计能否被成功制造。提供这些工具表明，Optiland的目标是设计真实世界中可构建的光学系统，而不仅仅是进行理论探索。

2.4 可微分核心：机器学习集成的范式转变

这是Optiland最独特的功能。PyTorch后端使得整个光线追迹过程变得可微分 (1)。这意味着光学系统的参数（如曲率半径、厚度、非球面系数）可以通过梯度下降法直接进行优化，并作为更庞大的机器学习流程的一部分 (1)。学习指南中有一个专门的章节，包含关于此主题的高级教程，例如使用强化学习设计非球面透镜 (10)、创建光线追迹的代理模型，以及使用生成对抗网络（GAN）来增强波前数据等 (10)。

可微分光线追迹的真正威力不仅在于优化镜片本身，更在于能够同时协同设计（co-design）光学器件和图像处理算法。在计算成像领域（与现代眼科学高度相关），最终图像是物理光学和数字重建算法共同作用的产物。借助可微分模型，可以在最终处理后的图像上定义一个损失函数，并将梯度反向传播，穿过重建算法，一直回溯到光学系统本身。这使得我们可以进行一种整体性优化，设计的镜片是为特定算法而优化的，反之亦然。这类问题用传统的光学设计软件极难解决，而这正是Optiland拥有深远竞争优势的前沿领域。

3. 关键评估：优势、劣势与战略定位

本节将综合前述分析，对Optiland进行平衡的批判性评估，并根据其官方发展路线图明确其当前局限性。

3.1 关键优势：灵活性、可及性与研究集成

Optiland的主要优势可以概括为三点：

  1. 成本与可及性：作为开源软件，它完全免费，极大地推动了强大设计工具的普及化。

  2. 灵活性与集成性：其Python原生API为自动化、定制化和系统集成提供了无与伦比的灵活性。

  3. 前沿研究能力：独特的可微分核心使其成为光学与机器学习交叉领域研究的领先平台。

3.2 已识别的局限性与官方发展路线图

在GitHub仓库和PyPI页面上公布的官方路线图，透明地展示了当前的功能差距 (1)。对于先进的眼科设计而言，最关键的缺失功能包括：

  1. 衍射光学元件（DOEs）：明确列为计划中功能。这是满足用户需求的最大障碍。

  2. 图像模拟（Image Simulation）：同样在路线图上。缺少此功能无法实现真正的视觉模拟。

  3. 非序列光线追迹：计划中，这对于精确模拟杂散光、复杂棱镜或整个微透镜阵列至关重要。

公开详细的路线图是一把双刃剑。一方面，它清晰地揭示了当前的局限性；另一方面，它也展示了一个活跃且雄心勃勃的开发计划。对于潜在用户而言，这份路线图是进行风险评估的关键文件。如果项目依赖于DOE，那么现在采用Optiland是一个高风险的决策，因为它押注于未来的开发进度。如果项目涉及复杂的自由曲面折射光学，那么Optiland在今天就是一个可行的工具。路线图使用户能够将其项目时间线与软件的发展轨迹进行对齐。

3.3 对比分析：Optiland与行业标准（Zemax OpticStudio）

Zemax OpticStudio是公认的行业黄金标准 (4)，提供了一套全面、成熟且经过验证的工具集，用于序列和非序列光线追迹，并包含衍射光学和STOP分析等高级功能 (4)。然而，它是一款昂贵的专有软件，其工作流程以传统的图形用户界面（GUI）为中心 (5)。Optiland免费提供了这些几何光学功能的一个子集，但其界面以代码优先、可脚本化为特点，并具备Zemax核心产品所缺乏的独特且强大的机器学习集成能力。

特性 Optiland Ansys Zemax OpticStudio
核心光线追迹 序列式 (非序列在路线图上) 序列式与非序列式
表面类型 球面, 非球面, 自由曲面 球面, 非球面, 自由曲面, 衍射面等
衍射光学 不支持 (在路线图上) 全面支持 (Kinoform, 二元光学等)
波前分析 (PSF/MTF) 支持 支持 (包括Huygens PSF/MTF)
优化 局部与全局优化器 高级局部与全局优化器
可微分优化 原生支持 (通过PyTorch) 不支持 (通过API可间接实现)
公差分析 支持 (敏感性 & 蒙特卡洛) 全面支持
用户界面 Python API, 基础GUI 高级GUI, ZOS-API
脚本语言 Python ZPL, Python (ZOS-API), C#等
机器学习集成 深度集成 有限 (通过API)
成本 免费 商业授权 (昂贵)
生态系统 Python开源生态 Ansys多物理场生态

4. 在眼视光学中的应用：可行性研究

本节是报告的核心，旨在系统性地回答用户的具体问题。我们将逐一评估Optiland对各项应用任务的适用性。

眼科设计任务 相关的Optiland功能 适用性与说明
模拟角膜地形图 自由曲面 直接适用。可导入患者数据作为自由曲面。
设计定制化眼镜片 自由曲面, 优化框架 直接适用。可优化自由曲面以校正像差。
模拟单焦点IOL 非球面, Zernike分解, MTF分析 直接适用。可进行全面的成像质量评估。
量化高阶像差 Zernike分解, 波前分析 直接适用。可分析系统或人眼的像差。
评估IOL倾斜/偏心影响 组件倾斜/偏心, 蒙特卡洛公差 直接适用。可进行稳健性分析。
设计近视控制微透镜 非球面/球面, 优化框架, Python API 高度适用。适合设计单个微透镜并以脚本生成阵列。
为目标视网膜图像进行逆向设计 可微分光线追迹 (PyTorch) 独特优势。可直接优化镜片以匹配目标PSF。

4.1 基础能力：人眼建模与视觉模拟

人眼建模：Optiland能够模拟包含非球面和自由曲面的复杂多表面系统，这使其非常适合创建各种示意眼模型（如Liou-Brennan眼模型）。用户可以定义角膜和晶状体的表面，将患者特定的角膜地形图数据作为自由曲面导入，并将视网膜模拟为一个曲面探测器。

视觉模拟：Optiland的路线图将“图像模拟”列为未来功能 (1)。学习指南展示了如何计算PSF，但并未提供将PSF与场景图像进行卷积的工具 (10)。这是Ansys Speos等专业软件的核心功能，后者提供专门的“人眼视觉”建模模块 (13)。

这揭示了Optiland在“从物理到感知”之间的差距。Optiland可以精确预测在视网膜上形成的物理图像（即PSF），但目前无法直接模拟患者的主观视觉体验。真正的眼科视觉模拟需要将系统的PSF与标准视觉场景（如视力表或真实世界图像）进行卷积，以生成患者“所见”的图像。这对于评估多焦点IOL引起的光晕、眩光等主观视觉质量问题至关重要 (17)。用户需要从Optiland中导出PSF数据，然后使用其他Python库（如SciPy、OpenCV）自行完成卷积，这是一个可行但需要额外编程工作的步骤。

4.2 高级应用 I：离焦微透镜阵列的设计与分析

理论背景：用于近视控制的离焦镜片通过一个微小的透镜阵列，在视网膜周边区域施加近视性离焦 (19)。其设计涉及定义每个微透镜的几何参数（形状、间距、填充因子）和光学功率 (19)。这些微透镜可以是球面、非球面或自由曲面 (21)。

Optiland可行性评估：

  • 优势：Optiland非常适合这项任务。单个微透镜可以被建模为一个简单的折射系统，并可使用非球面或自由曲面来控制像差 (1)。其优化框架 (3) 可用于设计微透镜的轮廓，以达到目标焦距和成像质量。强大的Python API使得通过脚本创建整个微透镜阵列变得非常简单。

  • 挑战：要一次性分析整个阵列的性能，计算量巨大，并且理想情况下需要非序列光线追迹（目前在路线图上 (3)）来精确模拟来自多个微透镜的光线相互作用以及潜在的串扰问题 (23)。然而，对于设计和优化
    单个微透镜这一核心设计问题，Optiland是一个强大且合适的工具。

4.3 高级应用 II：折射-衍射型多焦点镜片的挑战（接触镜与IOL）

理论背景：这类先进镜片通过在一个标准的折射基底上叠加一个衍射结构（一系列同心环带或闪耀光栅）来实现多焦点功能 (24)。该结构作为一个衍射光学元件（DOE），将入射光分成多个衍射级，从而在近、中、远距离上产生不同的焦点 (29)。设计过程涉及计算这些环带的半径和台阶高度，以控制焦点的位置和能量分配 (30)。这本质上是一个波动光学问题。

Optiland可行性评估：

  • 关键局限性：在当前版本中，Optiland不适合这项任务。其官方路线图明确指出，衍射光学元件（DOEs）是未来才会添加的功能 (1)。

  • 根本原因：Optiland的核心技术是几何光线追迹，它将光视为遵循斯涅尔折射定律的射线。这种模型无法描述衍射和干涉等波动现象，而这些现象正是此类多焦点镜片功能的基础。在Optiland中尝试模拟一个衍射型IOL，将只能仿真其基底的折射度，完全无法捕捉到由衍射产生的近、中焦点。

  • 当前能做什么：用户可以利用Optiland来模拟IOL的折射基底，包括用于校正角膜球差的非球面设计 (17)。这在整个设计流程中是有用的，但只解决了问题的一部分。设计和分析衍射结构的核心功能是缺失的。

5. 战略建议与未来展望

本节将为目标用户提供可行的建议，并展望Optiland这类工具在眼科光学领域的未来角色。

5.1 对考虑使用Optiland的研究人员和开发者的指导

建议：对于涉及纯折射型眼科光学系统的项目（如单焦点IOL、眼镜片、角膜建模、离焦微透镜阵列），Optiland是一个功能强大、灵活且成本效益高的工具，值得认真考虑。对于根本上依赖衍射或波动光学现象的项目（如多焦点IOL、眩光模拟），在当前状态下，Optiland不应作为独立的解决方案。潜在用户必须查阅其开发路线图，评估其发展时间线是否与自身项目需求相符。

5.2 弥合能力差距：将Optiland与衍射光学库集成

Python生态系统中包含专门用于波动光学和衍射仿真的库，例如diffractio (9) 和PyOptica (8)。以diffractio为例，它实现了瑞利-索末菲（Rayleigh-Sommerfeld）积分和光束传播法（BPM）等标量和矢量传播算法，并具备定义DOE的广泛功能 (9)。

这引出了一个至关重要的战略性建议：与其等待Optiland实现DOE功能，用户今天就可以创建一个强大的混合工作流。该流程如下：

  1. 步骤1 (Optiland)：建立完整的折射系统模型（例如，角膜 + IOL基底）。从物方追迹光线至IOL上的衍射面。

  2. 步骤2 (数据导出)：从Optiland的光线追迹结果中，提取到达衍射面的复振幅波前（振幅和相位）。

  3. 步骤3 (diffractio)：在diffractio中定义衍射相位掩模（即多焦点结构）。

  4. 步骤4 (diffractio)：将来自Optiland的入射波前与衍射相位掩模相乘。

  5. 步骤5 (diffractio)：使用diffractio中的波动传播算法（如瑞利-索末菲积分），将调制后的波前从IOL传播至视网膜平面。

  6. 步骤6 (分析)：分析视网膜平面的光场分布，计算穿焦PSF和MTF。

这种工作流充分利用了每个库的优势：Optiland用于其复杂的几何建模和光线追迹，而diffractio则用于其严格的波动光学传播。这种方法不仅可行，而且可能比单一的商业软件包更灵活，允许用户实现自定义的传播算法或DOE定义。它将Optiland当前最大的弱点，转化为构建一个更强大、模块化仿真管线的机会。

5.3 开源工具在眼科创新中的演进角色

像Optiland这样强大且可互操作的开源工具的出现，正在加速眼科光学领域的创新步伐。通过降低财务门槛，并为与人工智能/机器学习及其他自定义算法的集成提供前所未有的灵活性，这些工具使得学术实验室和小型研发团队能够探索新颖的设计理念（例如，光学与算法的端到端协同设计），而这些探索在过去是拥有昂贵软件许可证的大公司的专属领域。Optiland，特别是随着其功能集的不断成熟，有望成为这一转变的关键推动者，为解决视觉矫正领域的挑战，培育一个更开放、协作和计算驱动的先进方法。

引用的著作

  1. HarrisonKramer/optiland: Comprehensive optical design, optimization, and analysis in Python, including GPU-accelerated and differentiable ray tracing via PyTorch. - GitHub, https://github.com/HarrisonKramer/optiland

  2. Welcome to Optiland's documentation! — Optiland 0.5.6 documentation, https://optiland.readthedocs.io/

  3. optiland - PyPI, https://pypi.org/project/optiland/0.3.1/

  4. Ansys Zemax OpticStudio | Optical Design and Analysis Software, https://www.ansys.com/products/optics/ansys-zemax-opticstudio

  5. Best open software for optical system design - Microforum, https://forum.microlist.org/t/best-open-software-for-optical-system-design/353

  6. Designing Optics Using Zemax OpticStudio® | (2024) | O'Shea | Publications - SPIE, https://spie.org/Publications/Book/100003

  7. PyVisualFields: A Python Package for Visual Field Analysis - PMC, https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC9910386/

  8. Home — PyOptica Offical Website - GitLab, https://pyoptica.gitlab.io/pyoptica-blog/

  9. Python Diffraction-Interference module — Python diffraction and ..., https://diffractio.readthedocs.io/en/latest/readme.html

  10. Introduction to Optiland — Optiland 0.5.6 documentation, https://optiland.readthedocs.io/en/latest/learning_guide.html

  11. Tutorial 7a - Design of a Lithographic Projection System — Optiland ..., https://optiland.readthedocs.io/en/latest/examples/Tutorial_7a_Lithographic_Projection_System.html

  12. Tutorial 11e - Optimization of Aspheric Lenses via Reinforcement Learning, https://optiland.readthedocs.io/en/latest/examples/RL_aspheric_singlet.html

  13. Optical Simulation and Design Software - Ansys, https://www.ansys.com/products/optics

  14. Top Optical Design And Simulation Software - ReVerb, https://reverbico.com/blog/top-optical-design-and-simulation-software/

  15. Metalens metrology: challenges in objective assessment of image quality - SPIE Digital Library, https://www.spiedigitallibrary.org/conference-proceedings-of-spie/13378/1337805/Metalens-metrology-challenges-in-objective-assessment-of-image-quality/10.1117/12.3043212.full

  16. Imaging quality of multifocal intraocular lenses: automated assessment setup - PubMed, https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/23786382/

  17. Halo and Through-Focus Performance of Four Diffractive Multifocal Intraocular Lenses, https://iovs.arvojournals.org/article.aspx?articleid=2343119

  18. Optical evaluation of new-design multifocal IOLs with extended depth of focus, https://opg.optica.org/josaa/abstract.cfm?uri=josaa-36-5-759

  19. Design, fabrication and testing of microlens arrays for sensors and microsystems, https://www.researchgate.net/publication/37469810_Design_fabrication_and_testing_of_microlens_arrays_for_sensors_and_microsystems

  20. An Optical Wavefront Sensor Based on a Double Layer Microlens Array - MDPI, https://www.mdpi.com/1424-8220/11/11/10293

  21. Design considerations for microlenses and lensarrays - Optics for Hire, https://www.opticsforhire.com/blog/microlens-lensarray-design/

  22. Imaging with high resolution and wide field of view based on an ultrathin microlens array | Phys. Rev. Applied, https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevApplied.21.034035

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  24. Improving the performance of multifocal diffractive lens designs by adding a peripheral piston - Optica Publishing Group, https://opg.optica.org/abstract.cfm?URI=boe-16-3-1172

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  26. REFRACTIVE AND DIFFRACTIVE PRINCIPLES IN PRESBYOPIA-CORRECTING IOLS — AN OPTICAL LESSON - United States Medical Affairs, https://us.alconscience.com/sites/g/files/rbvwei1736/files/pdf/Refractive-and-Diffractive-Principles-in-Presbyopia-Correcting-IOLs-An-Optical-Lesson-US-REF-1900001.pdf

  27. US4637697A - Multifocal contact lenses utilizing diffraction and refraction - Google Patents, https://patents.google.com/patent/US4637697A/en

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  30. Design and Optimization of Diffractive Multifocal Intraocular Lenses - Researching, https://www.researching.cn/articles/OJ405fef6b079446d

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