自由曲面光学系统设计及其应用

摘要：介绍了自由曲面光学系统研究背景，自由曲面描述方法，光学设计中的逐步逼近优化和像质自动平衡优化两种算法。并以实际应用中的头盔光学系统设计及大视场、高分辨率头盔显示器的设计为例对这些方面进行分析，讲解了自由曲面光学系统设计及其应用。

关键词：光学设计；光学系统；自由曲面；头盔显示器

1 引言

工业产品的形状大致上可分为两类：一类是仅由初等解析曲面例如平面、圆柱面、圆锥面、球面等组成，可以用画法几何与机械制图完全清楚表达和传递所包含的全部形状信息；另一类是不能由初等解析曲面组成，而由复杂方式自由变化的曲线曲面即所谓的自由曲线曲面组成。主要包括以下几类：

1）没有旋转对称轴的复杂非常规连续曲面，包括双曲率面、复曲面、XY多项式曲面、泽尔尼克多项式曲面等；

2）非连续、有面形突变的曲面，例如微透镜阵列、衍射面和二元光学面等特殊表面；

3）非球面度很大的曲面，包含旋转对称曲面，如用于描述共形光学整流罩的椭圆曲面。

光学自由曲面具有非对称面形、灵活的空间布局、丰富的设计自由度等特性，可满足现代光学系统高品质的光学特性参数、优良的成像或照明质量、小型化、轻量化等要求，主要体现的优势有：

1）提供更多的设计自由度，为光学设计注入新的生命力；

2）突破传统光学系统理念，创造全新的结构型式；

3）减少光学元件数量，减轻系统重量，减小系统体积；

4）提升光学系统技术参数，提高系统性能。

在日常实例中，经常用到自由曲面的例子。如在LED路灯照明中，直接经过LED灯罩后照射到马路上的光度分布为一郎伯型的光度分布，如图1(a)所示，约50%的光能散落在马路的外面而损耗；经过自由曲面二次光学配光后，如图2所示，照射到马路上的光斑为一长方形分布，如图1(b)所示，所有光线照射到马路上，提高光能利用率。

图1.LED路灯照明示意图

图2.LED路灯自由曲面二次配光示意图