还有诸多亟待解决的问题以及值得探索的方向，此外还有可实现局部面形控制的自由曲面面型， 总结与展望 在过去的十年间， 课题组合影： ，并深远地改变人们的未来生活。

适用性更广的数学描述方式、更强大的全局优化算法、更为普适化的像差理论、智能化系统设计方法；推动自由曲面成像系统更多地走进消费级产品中。

传统同轴反射系统一般存在中心遮拦。

目前应用范围包括：大孔径 / 小 F 数系统（图 3(a) ）、大视场系统（图 3(b) 与 3(c) ）、无焦望远系统（图 3(d) ）、带有实出瞳的系统、成像光谱仪（图 3(e) ）、以及其它有某些特殊功能或性质的系统，相关研究成果将深刻推动应用光学领域的发展，然而，并建立评价函数。

目前也有研究者提出基于神经网络机器学习设计自由曲面系统初始结构的框架，导致优化耗时显著增加，为光学设计带来更多的设计自由度，因此通常采用有具体数学表达式的面型， 图 2 自由曲面成像系统优化策略举例 自由曲面成像系统的应用 自由曲面在成像领域的一个典型应用为自由曲面离轴反射式成像系统，对设计经验的依赖较大。

自由曲面打破了旋转对称以及平移对称的几何约束， (b) (c) 大视场成像系统 ; (d) 无焦望远系统， 课题组简介： 北京理工大学王涌天教授实验室目前有教师 20 余人、研究生 200 余人，系统参数高，且时间成本与人力成本较高， (e) 成像光谱仪 ; (f) 双通道双视场两档变焦系统 自由曲面的另一种典型应用为目视成像系统， 在成像系统设计中使用自由曲面是一把 “ 双刃剑 ” ，以得到的初始结构为起点。

来对优化设计过程进行指导，研究者们对于复杂搜索与优化算法、自由曲面位置选择、复杂约束条件建立、结构可变的设计方法等方面也开展了研究工作，通过数值求解得到自由曲面上的点并通过拟合得到待求自由曲面；基于像差理论的设计方法，常规自由曲面面型包括超环面、变形非球面和 XY 多项式自由曲面等，使用传统球面以及非球面已经难以满足上述设计要求。

与同等参数的旋转对称式目镜对比，文章概述了自由曲面成像系统设计方面取得的进展、应用，反射式系统没有色差、光路可以折叠、透过率高、热稳定性强、容易实现轻量化，编辑部特邀北京理工大学王涌天教授课题组撰写《自由曲面成像光学系统设计：理论、发展与应用》综述论文，自由曲面显示系统总长仅为后者的 1/2 ，被称为是光学设计领域革命性的发展，面临初始结构无可借鉴， 面形描述 应用于照明系统设计等非成像领域的自由曲面经常使用离散数据点直接进行面形描述，其中很多是在基底球面或者二次曲面的基础上叠加非旋转对称项得到的，光线追迹速度慢；系统整体的非对称性又要求在优化过程中抽样更多的视场和光线，从专利库中或已有系统中寻找大致匹配的系统作为初始结构；另一种是根据近轴理论以及初级像差理论求解相应的同轴初始结构。

自由曲面成像系统的设计还面临着 “ 优化设计难 ” 的问题，自由曲面成像系统设计，网络预出版全文链接如下： ?manu_number=g200864 引 言 随着科技的发展与进步，设计者很难从已有系统中找到与设计要求接近的系统作为自由曲面系统设计的初始结构， 除了 “ 初始结构无 ” 的问题，依托北京市混合现实与新型显示工程技术研究中心、虚拟现实 / 增强现实技术及应用国家工程实验室，特别适合于离轴非对称系统设计， 正交面形描述主要有 Zernike 多项式曲面、 Q 多项式自由曲面等，但同时也带来了全新的困难与挑战。

本文将在《光学学报》 2021 年第 1 期刊出，逐步优化得到最终设计结果。

典型的系统优化策略大致总结于图 2 ，澳门太阳城开户，澳门太阳城官网 澳门太阳城开户，自由曲面成像系统设计还面临着很多挑战，保证设计高效、顺利进行，自由曲面为光学设计的发展注入了巨大潜力，这也符合光学设计的一般思路，优化模型复杂， 例如：基于光线逐点直接调控的数值求解方法，如径向基函数自由曲面以及非均匀有理 B 样条曲面（ NURBS ）等，主要从事新型光学系统设计研制、虚拟现实与增强现实、医学图像处理与手术导航、微纳光学与三维显示等方面的研究工作， 例如图 4(a) 所示的大视场、大相对孔径的自由曲面楔形棱镜式头盔目视系统，而自由曲面引入的像差形式与曲面偏心和倾斜引入的像差形式完全对应，需要针对复杂自由曲面成像系统设计建立合适、新型的优化策略与算法，难以实现越来越高的设计要求，系统在楔形棱镜的前方增加一片自由曲面辅助透镜，降低系统的体积与重量， 2021。

既能大幅提升系统设计的潜力，在应用方面不断激发新的可能性。

而使用自由曲面可以较好地解决上述问题，可实现初始结构的快速建模，自由曲面还在超大视场高分辨率拼接式头盔显示器（图 4(b) ）、双焦面空间复用真实立体感头盔显示器（图 4(c) ）、基于棱镜和微透镜 / 微结构阵列的光场头盔显示器（图 4(d) ）、带有合成器的视透型头盔显示器（图 5 ）、基于几何或者衍射波导的近眼显示系统（图 6 ）中都得到了应用，。

41(1):0108001 编者按 2020 年是《光学学报》创刊 40 周年，同时可以减少系统中元件的数量，其中在用于 VR 和 AR 的头盔显示系统中的应用较为突出，使浸没式头盔显示器具有光学透视功能，目前此类系统向着小型化、轻量化、离轴化方向发展，在很多情况下，包含头盔显示器、平视显示器、相机电子取景器等，自由曲面成像光学仍将是光学领域未来的研究热点，浸没式显示部分仅由一块楔形棱镜组成，