摘要：介紹了自由曲面光學系統(tǒng)研究背景，自由曲面描述方法，光學設(shè)計中的逐步逼近優(yōu)化和像質(zhì)自動平衡優(yōu)化兩種算法。并以實際應用中的頭盔光學系統(tǒng)設(shè)計及大視場、高分辨率頭盔顯示器的設(shè)計為例對這些方面進行分析，講解了自由曲面光學系統(tǒng)設(shè)計及其應用。

關(guān)鍵詞：光學設(shè)計；光學系統(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，可以用畫法幾何與機械制圖完全清楚表達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.沒有旋轉(zhuǎn)對稱軸的復雜非常規(guī)連續(xù)曲面包括雙曲率面、復曲面XY多項式曲面、澤爾尼克多項式曲面等。

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

3.非球面度很大的曲面，包含旋轉(zhuǎn)對稱曲面如用于描述共形光學整流罩的橢圓曲面光學自由曲面具有非對稱面形，靈活的空間布局 豐富的設(shè)計自由度等特性，可滿足現(xiàn)代光學系統(tǒng)高品質(zhì)的光學特性參數(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)勢有:：

1）提供更多的設(shè)計自由度 為光學設(shè)計注入新的生命力；

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

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

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

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