摘要：介紹了自由曲面光學(xué)系統(tǒng)研究背景，自由曲面描述方法，光學(xué)設(shè)計(jì)中的逐步逼近優(yōu)化和像質(zhì)自動(dòng)平衡優(yōu)化兩種算法。并以實(shí)際應(yīng)用中的頭盔光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及大視場(chǎng)、高分辨率頭盔顯示器的設(shè)計(jì)為例對(duì)這些方面進(jìn)行分析，講解了自由曲面光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：光學(xué)設(shè)計(jì)；光學(xué)系統(tǒng)；自由曲面；頭盔顯示器

1 引言

工業(yè)產(chǎn)品的形狀大致上可分為兩類：一類是僅由初等解析曲面例如平面、圓柱面、圓錐面、球面等組成，可以用畫(huà)法幾何與機(jī)械制圖完全清楚表達(dá)和傳遞所包含的全部形狀信息；另一類是不能由初等解析曲面組成，而由復(fù)雜方式自由變化的曲線曲面即所謂的自由曲線曲面組成。主要包括以下幾類：

1）沒(méi)有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸的復(fù)雜非常規(guī)連續(xù)曲面，包括雙曲率面、復(fù)曲面、XY多項(xiàng)式曲面、澤爾尼克多項(xiàng)式曲面等；

2）非連續(xù)、有面形突變的曲面，例如微透鏡陣列、衍射面和二元光學(xué)面等特殊表面；

3）非球面度很大的曲面，包含旋轉(zhuǎn)對(duì)稱曲面，如用于描述共形光學(xué)整流罩的橢圓曲面。

光學(xué)自由曲面具有非對(duì)稱面形、靈活的空間布局、豐富的設(shè)計(jì)自由度等特性，可滿足現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)高品質(zhì)的光學(xué)特性參數(shù)、優(yōu)良的成像或照明質(zhì)量、小型化、輕量化等要求，主要體現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)有：

1）提供更多的設(shè)計(jì)自由度，為光學(xué)設(shè)計(jì)注入新的生命力；

2）突破傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)理念，創(chuàng)造全新的結(jié)構(gòu)型式；

3）減少光學(xué)元件數(shù)量，減輕系統(tǒng)重量，減小系統(tǒng)體積；

4）提升光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)，提高系統(tǒng)性能。

在日常實(shí)例中，經(jīng)常用到自由曲面的例子。如在LED路燈照明中，直接經(jīng)過(guò)LED燈罩后照射到馬路上的光度分布為一郎伯型的光度分布，如圖1(a)所示，約50%的光能散落在馬路的外面而損耗；經(jīng)過(guò)自由曲面二次光學(xué)配光后，如圖2所示，照射到馬路上的光斑為一長(zhǎng)方形分布，如圖1(b)所示，所有光線照射到馬路上，提高光能利用率。

圖1.LED路燈照明示意圖

圖2.LED路燈自由曲面二次配光示意圖