激光光束整形技术在现代激光工业领域具有重要作用，为了克服传统激光光束整形自由曲面构造中存在法向矢量偏差的局限性，文中提出一种正交双向迭代的自由曲面设计方法。该方法基于能量守恒和斯涅尔定律建立光源与目标面的能量映射关系，通过正交方向坐标点迭代获得自由曲面数据点，同时利用相邻坐标点的均值进行曲面法向矢量修正，从而提高自由曲面的构造精度。设计实例表明，准直入射的激光光束经自由曲面整形反射镜，在特定目标区域内可形成高均匀度光斑。进一步从自由曲面的连续性、拟合精度与面形误差三个方面，与传统设计方法进行了详细对比分析。结果表明，所提设计方法得到的激光光束整形自由曲面连续性与平滑度更好，拟合精度更高；且在加工误差允许范围内，目标面的辐照度均匀性更稳定。

光束整形技术能够实现激光光束能量分布的良好控制，在激光加工、医疗、激光核聚变等方面具有广泛的应用前景。光束整形方法主要分为几何光学方法和物理光学方法两大类，其中几何光学方法由于忽略了衍射效应，导致一些情形下的光束整形效果不够精细，但却能为物理光学方法提供良好的优化起点。结合几何光学方法和物理光学方法的复合设计方法能够设计出易于加工的自由曲面衍射光学元件，同时能抑制杂散光和散斑噪声。首先回顾了物理光学方法，然后综述了几何光学-物理光学复合设计方法的研究进展，最后对衍射光学元件设计方法的未来发展方向进行了一定的展望。

针对长焦镜头小型化、轻量化的设计需求，基于离轴三反结构探索紧凑型长焦光学系统设计方案。利用圆锥曲面焦点共轭的光学特性，通过相邻反射面焦点重合的方式构造可对轴上点完善成像的初始结构，并在此基础上，通过追迹特征光线建立针对离轴三反结构的光线无遮拦判定条件，从小视场出发制定视场扩展与自由曲面面形的优化设计策略。以长焦手机镜头为例，设计了一款F数为5、等效焦距达196 mm、视场范围±3.8°的离轴三反式紧凑型长焦镜头。其尺寸为26 mm×24 mm×10 mm，仅由3个反射面构成，MTF优于0.2@114 lp/mm，畸变低于0.5%，相对照度高于95%，像面无暗角。该系统无遮拦，无色差，且相较于常规潜望式长焦镜头，在小型化、轻量化方面具备明显优势，为紧凑型长焦镜头设计提供了新的解决思路。

为满足红外探测系统对大视场、轻量化、低成本的需求，设计并研制了一款用于制冷型红外探测器的自由曲面离轴四反全铝光机系统。光学设计采用具有实出瞳的离轴无遮拦全反射式光路形式，并利用7次XY多项式表征各反射镜面型。在紧凑包络约束下，实现了6.25°×5°的视场角，全视场RMS几何弥散斑半径＜6.0 μm。各反射镜和支撑结构材料均选用6061-T651铝合金，各反射镜进行了柔性支撑设计，以降低装调时的刚性连接应力。采用激光干涉仪对光机系统波像差进行了测试，典型视场波像差＜RMS 0.7λ@632.8 nm。相比传统的离轴反射系统，文中系统采用“全自由曲面+全铝光机”新构型，能够用更紧凑的包络实现更大视场，且整机具有轻量化、低成本以及无热化的特点，在红外探测领域具有重要应用前景。

针对超大面阵红外遥感探测的需求，设计了一个基于自由曲面的超大矩形视场制冷型离三反光学系统。系统采用一个偶次非球面反射镜和两个自由曲面反射镜组成二次成像的结构，具有实出瞳并与冷光阑匹配，能够实现100%的冷光阑效率。与其他离轴三反系统相比，该系统最大特点在于其适配了4 k分辨率的大面阵红外探测器，具有视场大、无遮拦、成像质量好等技术特点。系统焦距为150 mm，工作波段为1.5~5 μm，工作F数为5，视场为30°×25°。结构上，主镜采用偶次非球面，次镜和三镜采用XY多项式自由曲面，以校正大视场下的各种像差，系统在各个视场下调制传递函数在25 lp/mm处均大于0.4，满足大面阵红外探测器的成像质量要求。

随着应用光学领域的蓬勃发展，对于成像光学系统的像质需求越来越高。自由曲面的多设计自由度使其具有优异的像差补偿能力，常被用于高效像差补偿器件，而设计出具有良好像差补偿效果的自由曲面是提升系统像质的关键。这里基于矢量像差理论，介绍了一种针对成像系统像差补偿的Zernike型自由曲面设计方法。并以望远偏心系统作为实例，利用所提出方法设计了该系统的像差补偿自由曲面，并借助空间光调制器开展实验研究。仿真与实验结果均表明，所提出方法能够得到有效补偿望远偏心系统像差的自由曲面，像差补偿后光斑尺寸降低至补偿前的43.9%，其像差补偿效果优于传统标量像差理论优化法设计结果，该方法在自由曲面成像系统设计方面具有一定的应用研究价值。

离轴三反光学系统基于无孔径遮拦、可实现大视场等优势，结合自由度高、像差校正能力强的光学自由曲面，可以实现优异的光学性能。光学系统成像指标的不断提高促使反射式光学系统的口径和焦距不断增大，光学系统误差敏感度剧增，加工难度和装调敏感度也随之提高，耗费的时间和经济成本巨大。误差敏感度可以表征光学系统在失调后的敏感程度，误差敏感度低的光学系统公差精度要求宽松，在优化过程中控制误差敏感度可以实现像质与成本之间的最佳平衡。因此，降敏优化是光学系统设计过程中不可或缺的一环。文中提出的角度优化降敏设计方法和局部曲率控制降敏设计方法对一个焦距30 000 mm、F数为15、视场角1°×1°的大型自由曲面离轴三反光学系统进行了降敏设计并进行对比，结果表明，在光学系统构型无显著差异的情况下，使用两种降敏设计方法降敏后的光学系统像差校正理论结果均表现优异，调制传递函数（MTF）均接近衍射极限，两种降敏设计方法均可以有效降低光学系统误差敏感度。对比发现，局部曲率控制降敏设计方法降敏效果更好。

自由曲面为光学系统设计带来了新的设计自由度，可以实现性能与参数更高、结构更紧凑的系统，但自由曲面的加工与检测难度较大，应在设计过程中对工艺性进行实时表征与控制。使用正交多项式面型可以较为容易地实现自由曲面同基底曲面矢高差的控制，但目前常用的大多是在圆域内正交的多项式，对于自由曲面离轴非对称系统中曲面常用的矩形孔径或者方形孔径局限性较大。针对以上问题，提出了采用方域内具有正交特性的二维Chebyshev多项式以及二维Legendre多项式进行自由曲面成像系统设计的方法。提出采用正交多项式孔径边缘积分的约束方法，以及采用控制方域正交多项式系数平方和的方法，配合正交多项式系数的其他线性约束，在不明显降低系统成像质量的情况下，实现高效的自由曲面系统设计以及曲面检测难度的实时表征与控制。通过多个不同结构的自由曲面成像系统设计实例，说明了所提出的设计方法的可行性与效果。所提出的方法为常用的有矩形曲面孔径的自由曲面系统设计提供了新思路，可以有效提升整个自由曲面系统研制过程的效率。

增强现实（AR）近眼显示光学引擎是新型显示光学设计领域的研究热点之一，它将虚拟图像投射到现实物理环境中进行显示，在空间上增强、融合和补充了物理世界。AR 近眼显示光学引擎在光学系统集成化和微型化方面有较高要求，眼镜形态的AR近眼显示光学设备是未来必然发展趋势。光学超表面是一种由亚波长单元结构在二维平面上周期排布而成的人工结构阵列，通过单元结构和电磁波的相互作用实现对光场中振幅、相位和偏振的任意调控，同时具有体积小、效率高、结构紧凑等特点，在近眼显示应用中具有很大潜力。文中在AR光学引擎设计中引入一种传输相位型超表面光波导耦出结构，该超表面单元引入了突变相位，通过对超表面的等相位面调控改变光经过波导耦出的角度，使出射光效率最高达到77%，并实现20°视场角，为AR光波导结构设计提供一种可行方案，有望为下一代人机交互显示平台提供解决方案。

文中针对激光前照灯的光学结构设计困难和能量利用率低的问题，以球面最优传输理论为基础，提出了一种新的自由曲面反射器设计方法。该方法基于支撑曲面的结构，针对扩展光源进行了优化，有效抑制了目标照明区外的照度，实现了清晰的明暗截止线。文中根据GB 25991—2010标准，设计了适用于激光前照灯（含近光灯和远光灯）的自由曲面反射器，并使用扩展朗伯光源进行模拟仿真。仿真结果表明，配光屏幕上各测试点和测试区域的照度均符合法规要求，反射面连续光滑，能量利用率分别为96.96%和97.80%。通过实现高能量利用率的结构，减少了汽车前照灯的功耗，利于汽车前照灯的散热设计，延长了激光光源使用寿命，并为设备的生产加工带来便利。