自由曲面光学研究
从系统设计、元件制造及检测方法角度对自由曲面光学进行阐述，提炼关键技术并探讨实施手段和方案。
 摘要：自由曲面光学是先进光学工程领域的前沿代表性技术之一。在成像系统中，该技术可以矫正像差、提高成像质量、减小系统单元数量及重量，在高性能照明系统设计中，该技术不仅可以有效提高光能利用率，更可消除系统对照明方向性的严格要求，并且提供了很大的设计自由度。从系统设计、元件制造及检测方法角度对自由曲面光学进行阐述，提炼关键技术并探讨实施手段和方案。 1.引言 与目前使用的常规元件相比，自由曲面光学元件作为一类复杂的、非旋转对称的异形曲面，其非球面度可以很大，可根据现代光电系统对信息发送、接收、转换、传送及存储功能的特殊需要，突破传统光学系统的概念，运用于全新的系统设计方案中。如在头盔显示，HMD，光学系统设计中，可用一块偏心自由曲面棱镜取代传统的多透镜组合系统，利用棱镜内面镜的各面像差发生量只有传统透镜1/6的特征，获得更大出瞳，克服了一般近眼光学系统需借助调整机构补正眼幅漂移、不易轻小型化的缺点。 另一方面，以精密数控为底层支撑的计算机控制光学加工技术结合经典光学加工理论，极大地提高了高质量光学曲面元件的制造可控性，为系统设计原型的实现提供关键元件。此外，型面质量的有效评价和精密检测是其先进制造技术中的重要组成部分，工件的制造精度由检测的精度来验证，并获得补偿及误差修正数据。由于先进光学制造技术的不断发展，要求测量精度的等级不断提高，直接导致自由曲面光学元件型面质量的检测难度加大。特别是在现有技术条件下，对具有非旋转且非对称特征的空间自由曲面的精确检测与评价具有相当大的难度，实现型面参数化表达极为复杂。 因此，在实施过程中，适应这一快速发展态势的先进光学制造检测技术并不易于实现。就单一光学元件来讲，例如达到光学理论上所追求的高精度的光学非球面元件已经是一种突破，而针对复杂光学系统，如非对称式光学系统中精密三维自由曲面元件的高质量制造检测就更是一项挑战。 2.自由曲面光学设计 自由曲面光学系统的设计自由度较大，可以采取折射/反射相结合的方法，可实现避免中心遮拦的离轴式设计，有利于获得高分辨力、高光能利用率，并通过光路折叠，实现系统结构的紧凑化。设计中经常需要采用带有曲率的倾斜反射面折叠光路，这些表面引入的非对称像差，用传统的轴对称球面或非球面都无法完全校正。目前国内外光学设计软件已经考虑非对称的自由曲面光学系统设计功能。在选择自由曲面元件的描述方法时，要考虑到系统的实际需求和加工、检测的可能性，一般来说，需要采用关系式  ......
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lzhdear：好文章(2016-04-20)