摘要：自由曲面光學(xué)是先進(jìn)光學(xué)工程領(lǐng)域的前沿代表性技術(shù)之一。在成像系統(tǒng)中，該技術(shù)可以矯正像差、提高成像質(zhì)量、減小系統(tǒng)單元數(shù)量及重量，在高性能照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，該技術(shù)不僅可以有效提高光能利用率，更可消除系統(tǒng)對(duì)照明方向性的嚴(yán)格要求，并且提供了很大的設(shè)計(jì)自由度。從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、元件制造及檢測(cè)方法角度對(duì)自由曲面光學(xué)進(jìn)行闡述，提煉關(guān)鍵技術(shù)并探討實(shí)施手段和方案。

1.引言

與目前使用的常規(guī)元件相比，自由曲面光學(xué)元件作為一類復(fù)雜的、非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的異形曲面，其非球面度可以很大，可根據(jù)現(xiàn)代光電系統(tǒng)對(duì)信息發(fā)送、接收、轉(zhuǎn)換、傳送及存儲(chǔ)功能的特殊需要，突破傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)的概念，運(yùn)用于全新的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中。如在頭盔顯示，HMD，光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，可用一塊偏心自由曲面棱鏡取代傳統(tǒng)的多透鏡組合系統(tǒng)，利用棱鏡內(nèi)面鏡的各面像差發(fā)生量只有傳統(tǒng)透鏡1/6的特征，獲得更大出瞳，克服了一般近眼光學(xué)系統(tǒng)需借助調(diào)整機(jī)構(gòu)補(bǔ)正眼幅漂移、不易輕小型化的缺點(diǎn)。

另一方面，以精密數(shù)控為底層支撐的計(jì)算機(jī)控制光學(xué)加工技術(shù)結(jié)合經(jīng)典光學(xué)加工理論，極大地提高了高質(zhì)量光學(xué)曲面元件的制造可控性，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)原型的實(shí)現(xiàn)提供關(guān)鍵元件。此外，型面質(zhì)量的有效評(píng)價(jià)和精密檢測(cè)是其先進(jìn)制造技術(shù)中的重要組成部分，工件的制造精度由檢測(cè)的精度來(lái)驗(yàn)證，并獲得補(bǔ)償及誤差修正數(shù)據(jù)。由于先進(jìn)光學(xué)制造技術(shù)的不斷發(fā)展，要求測(cè)量精度的等級(jí)不斷提高，直接導(dǎo)致自由曲面光學(xué)元件型面質(zhì)量的檢測(cè)難度加大。特別是在現(xiàn)有技術(shù)條件下，對(duì)具有非旋轉(zhuǎn)且非對(duì)稱特征的空間自由曲面的精確檢測(cè)與評(píng)價(jià)具有相當(dāng)大的難度，實(shí)現(xiàn)型面參數(shù)化表達(dá)極為復(fù)雜。

因此，在實(shí)施過(guò)程中，適應(yīng)這一快速發(fā)展態(tài)勢(shì)的先進(jìn)光學(xué)制造檢測(cè)技術(shù)并不易于實(shí)現(xiàn)。就單一光學(xué)元件來(lái)講，例如達(dá)到光學(xué)理論上所追求的高精度的光學(xué)非球面元件已經(jīng)是一種突破，而針對(duì)復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)，如非對(duì)稱式光學(xué)系統(tǒng)中精密三維自由曲面元件的高質(zhì)量制造檢測(cè)就更是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

2.自由曲面光學(xué)設(shè)計(jì)

自由曲面光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)自由度較大，可以采取折射/反射相結(jié)合的方法，可實(shí)現(xiàn)避免中心遮攔的離軸式設(shè)計(jì)，有利于獲得高分辨力、高光能利用率，并通過(guò)光路折疊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的緊湊化。設(shè)計(jì)中經(jīng)常需要采用帶有曲率的傾斜反射面折疊光路，這些表面引入的非對(duì)稱像差，用傳統(tǒng)的軸對(duì)稱球面或非球面都無(wú)法完全校正。目前��國(guó)內(nèi)外光學(xué)設(shè)計(jì)軟件已經(jīng)考慮非對(duì)稱的自由曲面光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能。在選擇自由曲面元件的描述方法時(shí)，要考慮到系統(tǒng)的實(shí)際需求和加工、檢測(cè)的可能性，一般來(lái)說(shuō)，需要采用關(guān)系式

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