[논문 리뷰] Prompt-to-prescription: towards generative design of diffraction-limited refractive optics

Roy Maman, David Ohana외 2명|arXiv (Cornell University)|2026. 02. 14.

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한 줄 요약

의미 프롬프트를 회절 한계의 광학 처방으로 변환하기 위해 대형 언어 모델(LLMs)과 미분 가능 레이 트레이싱 엔진을 결합한 엔드 투 엔드 프레임워크.

ABSTRACT

The design of high-performance optical systems remains a specialized domain gated by the limited availability of expert engineers, creating a bottleneck that stalls innovation despite the growing demand for imaging hardware. While deep learning has improved parameter optimization, it has yet to address the fundamental challenge of conceptualizing valid optical architectures from functional requirements. Here, we present an end-to-end generative framework that couples the semantic reasoning of Large Language Models (LLMs) with a differentiable ray-tracing engine to democratize the synthesis of diffraction-limited optical prescriptions. By treating optical design as a semantic-to-physical translation task, the system autonomously interprets prompts ranging from high-level end-user requests to rigorous technical specifications. We demonstrate the framework's versatility across three distinct regimes: (1) finite-conjugate industrial metrology systems, where the model autonomously enforces application-specific constraints such as telecentricity to achieve diffraction-limited performance; (2) a suite of infrared objectives (NIR, SWIR, and LWIR), demonstrating the framework's ability to synthesize valid topologies and optical prescriptions for non-visible spectral bands, and (3) complex aspheric mobile lenses, where the system successfully navigates the high-dimensional optimization landscape to produce high-resolution designs suitable for modern sensors. Validated against industry-standard simulation tools, these results establish a new paradigm for automated optical engineering, bridging the gap between semantic intent and physical realization.

연구 동기 및 목표

• 고성능 광학 시스템에서 제한된 전문 인력 가용으로 인한 설계 병목 현상을 해결한다.
• 기능적 요구를 타당한 광학 구상으로 번역하여 광학 설계의 민주화를 실현한다.
• 의미 의도와 물리적 구현을 연결하는 의미-물리 번역 프레임워크를 통해 다리 역할을 한다.
• 계측 광학, 적외선 계열의 렌즈, 및 비구면 모바일 렌즈에 걸친 교차 도메인 적용 가능성을 시연한다.

제안 방법

• 광학 설계를 의미-물리 번역 작업으로 본다.
• 대형 언어 모델과 미분 가능 레이 트레이싱 엔진을 연결하여 엔드-투-엔드 합성을 수행한다.
• 고수준 요청에서 기술 사양에 이르는 프롬프트의 자율적인 해석을 허용한다.
• 회절 한계 성능을 달성하기 위해 텔레센트릭성과 같은 응용 특화 제약을 적용하여 제약조건을 강제한다.
• 생성된 설계를 산업 표준 시뮬레이션 도구를 사용해 검증한다.
• 세 가지 체계: 유한 결합 계측 시스템, 적외선 계열 렌즈(NIR/SWIR/LWIR), 및 복합 비구면 모바일 렌즈를 시연한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주어진 제약 조건 하에서 프레임워크가 자율적으로 회절 한계 성능을 만족하는 유효한 광학 토폴로지를 생성할 수 있는가?
• RQ2 비가시 파장대(NIR/SWIR/LWIR)에 대한 광학 처방을 합성하는 능력은 어느 정도인가?
• RQ3 현대 센서를 위한 복합 비구면 렌즈를 설계하기 위해 고차원 최적화 공간을 탐색할 수 있는가?

주요 결과

• 이 프레임워크는 계측 광학에서 텔레센트릭성과 같은 제약을 자율적으로 적용하여 회절 한계 성능을 달성한다.
• 적외선 파장대(NIR, SWIR, LWIR)에 대해 유효한 토폴로지와 처방을 합성하는 능력을 시연한다.
• 고차원 설계 공간을 탐색하여 고해상도 비구면 모바일 렌즈 설계를 산출할 수 있다.
• 검증된 설계는 산업 표준 시뮬레이션 도구와 일치하여 실용성을 뒷받침한다.
• 이 접근법은 의미 의도를 물리적 구현과 연결함으로써 자동화된 광학 설계의 새로운 패러다임을 확립한다.