作者：马冬林、朱正波、魏诗力、莫言、谈昊、范子超   时间：2019-04-17

自由曲面成像光学设计—AR\VR\HUD\离轴三反

随着国家技术的进步，空间探测、地面遥感、航空、航天、照明、显示等领域对光学系统的轻量化、小型化、系统像质优化等方面提出了更高的要求。而依赖传统光学元件难以同时实现现代光学系统对于其紧凑和高性能的设计目标。随着像差理论、光学系统优化技术、计算速度、精密加工技术和检测技术的发展，自由曲面光学为现代光学系统设计带来了革命性的改变。将自由曲面应用于光学系统，可以提升系统优化自由度，减少光学系统设计残差和光学元件数量，在改善系统光学性能的同时简化光学系统结构。基于此，本课题组长期致力于自由曲面光学系统的开发，涉及成像光学领域和非成像光学领域。

在成像光学领域，自由曲面一般用于成像光谱仪、头盔显示系统（HMD）、电子取景器以及天文光学系统。本课题组基于自由曲面光学提出了一种新型的自由曲面离轴三反结构并成功应用于车载抬头显示光学系统设计中（图1），达到了优越的光学性能和极其紧凑的装配体积，具有良好的商业应用前景。

图1 一种新型的自由曲面离轴三反结构并成功应用于车载抬头显示光学系统

自由曲面非成像设计—固态照明与激光整形技术

在非成像光学领域，自由曲面一般用于照明设计中，包括激光光束整形、LED光源配光设计等。图2中，对于从每一个激光器发出的激光，分别先后使用两个自由曲面反射镜对激光光束的波前和辐照度分布进行控制，使小球上接收到的激光能量分布均匀。LED光源发出的朗伯光往往不能被直接使用（如光束分布不均匀、眩光等问题），采用自由曲面不仅仅可以极大简化照明系统的结构，还可以有效控制光束分布，轻松实现复杂的照明。如图3所示，采用自由曲面透镜，实现矩形照明和扇形照明效果，同时确保照明区域内能量分布均匀。

图2 采用自由曲面的激光波前整形

图3 采用自由曲面的LED照明设计

自由曲面公差分析

在光学设计的过程中，进行光学系统的公差分析是为了定义出该系统所有可能存在的误差种类及他们大小，之后会将这些误差“添加”到所设计的光学系统中，来观测系统的各项指标的变化情况，借助公差分析我们可以确定系统能否在这些不确定的误差影响下达到我们所期望的性能标准。我们首先要明确，我们所引入的各种公差值都是一种将所设计光学系统中不同性能进行了量化估计的结果。设置公差时我们应当注意以下几点：1.必须选取适合于系统的性能规格；2.必须定义系统的最低性能容忍极限；3.计算时应当涵盖所有可能误差来源；4.制定系统中可能存在的每一个制造和组装可允许的公差极限。光学设计师面临的基本问题是在标称设计上分配一组合适的公差形成。本质上，这涉及平衡成本（和/或时间表）与收益（和/或性能），且必须制定涵盖所有误差预测下的性能下降，这是光学设计中十分重要的一环。正如前文所说，大型望远镜会遇到许多不同种类的误差。如在镜面制造过程中，镜面的曲率半径、材料、厚度以及面型误差；在进行装调时镜面的偏心以及倾斜也会带来误差；望远镜在工作的过程中也会受到重力、温度、大气等的影响；这些因素都会导致相应的误差，从而影响成像质量。而为了保证望远镜在各种允许的误差范围内能够正常的工作，并且保证优异的成像质量，平衡性能及造价，那么对望远镜的光学设计进行公差分析是必不可少的。

而在自由曲面系统的公差分析中，自由曲面面型误差无统一评价标准、公差分配标准较难制定，目前我们可以采取曲面拟合的方式来对引入自由曲面的面型误差；具体步骤如下：

通过以上方式我们可以实现对自由曲面的高精度拟合，以及使用PV值来对自由曲面面型进行误差分配。

成像光学设计：水下对空成像系统、双远心变焦系统、基于智能手机的便携式成像系统等

水底光学系统面临的环境因素较为复杂，其中主要原因之一是水体带来的影响。这些影响包括色散，散射，吸收等等。因此，水底的光学系统与通常工作于大气环境中的光学系统不同，需要应对这些问题进行针对性的改进。