中国计量大学光学与电子科技学院，浙江 杭州 310018
提出一种基于双自由曲面的均匀照明设计方法，根据几何光学理论和能量映射关系，设计了距高比为1的双自由曲面透镜。通过将扩展光源和透镜表面离散化，对扩展光源进行反向追迹构建新的双自由曲面。借助光学仿真软件模拟了光学性能，结果表明：在距离光源1000 mm处的目标面实现了半径为1000 mm的均匀圆形照度分布，照度均匀度达92.3%，该方法有效提升了基于扩展光源的目标面的照度均匀性，设计过程无需对自由曲面反馈优化，大大缩短设计时间，过程简易方便。
光学设计 扩展光源 自由曲面 均匀照明 激光与光电子学进展
2023, 60(19): 1922001
韩继周 1,2,3赵世家 1,2,3冯安伟 1,2,3张幸运 1,2,3季轶群 1,2,3,*
1 苏州大学光电科学与工程学院，江苏 苏州 215006
2 江苏省先进光学制造技术重点实验室 & 教育部现代光学技术重点实验室，江苏 苏州 215006
3 苏州纳米科技协同创新中心 & 数码激光成像与显示教育部工程研究中心，江苏 苏州 215006
针对基于传统光学元件的成像光谱仪，在实现大视场与宽波段的同时难以满足结构紧凑的问题，在Offner成像光谱仪的第三反射镜引入圆锥曲面叠加条纹泽尼克多项式表征的自由曲面。基于矢量像差理论，分析了四阶以下的泽尼克多项式在系统中引入的像散与系统视场、波长的关系，通过选取合理的多项式叠加到圆锥曲面，设计了一款工作于可见光到短波红外波段（400~2500 nm）、体积仅42 mm×82 mm×100 mm的成像光谱仪。系统实现了双波段探测，来自两个不同宽度狭缝的光线经光栅分光后，通过分束器将工作波段分为可见近红外（400~1000 nm）和短波红外（1000~2500 nm），优化设计结果表明，光谱分辨率分别为2.8 nm和4 nm，成像质量良好，为实现宽波段紧凑型成像光谱仪的设计提供了理论参考。
光学设计 自由曲面 成像光谱仪 Offner结构 宽波段 光学学报
2023, 43(14): 1422002
1 惠州市华阳多媒体电子有限公司，广东 惠州 516006
2 西安工业大学兵器科学与技术学院，陕西 西安 710021
3 西安工业大学光电工程学院，陕西 西安 710021
为了保证增强现实式平视显示系统（AR-HUD）的虚像像质清晰、虚像距离更远，在视场角更大需求的基础上应尽可能减小AR-HUD的体积。采用自由曲面离轴双反射系统，设计了一款虚像距离为10 m、视场角为10°×5°的虚像显示光路。该光路用孔径光阑偏移范围（Eyebox）模拟驾驶员视野移动范围并分为9个结构，利用多重结构进行优化仿真，每个视场光斑均落于艾里斑之内，图像的调制传递函数均接近衍射极限，畸变、动态像差值均小于行业规定值。满足成像要求后绘制了平视显示系统（HUD）防尘膜并进行光害仿真分析，避免太阳光害进入人眼。最后，绘制AR-HUD外壳，测得其体积为10 L，并通过用户界面（UI）图像对显示效果进行仿真，验证了设计的正确性与可行性。
光学设计 平视显示系统 自由曲面 光学系统 多重结构 激光与光电子学进展
2023, 60(9): 0922001
1 上海理工大学健康科学与工程学院医学光学与视光学研究所，上海 200093
2 上海理工大学教育部光学仪器与系统工程研究中心，上海 200093
3 上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093
4 上海理工大学上海介入医疗器械工程技术研究中心，上海 200093
探究渐进多焦点镜片间接法设计中权重函数和平均曲率分布对镜片光焦度和像散的影响。设计了两组权重函数分布以及平均曲率分布，提出了根据符合度矩阵重置镜片权重分布的优化方法。在相同参数下计算出5组具有不同权重函数和平均曲率分布的渐进多焦点自由曲面面型。对镜片进行加工和评价测量，实验结果表明：权重函数的形状、面积以及权重值的不同，可对镜片光学性能带来不同方面的优化，且权重函数和平均曲率分布共同影响镜片的光焦度和像散分布。
光学设计 渐进多焦点镜片 权重函数 曲率分布 自由曲面
1 长春理工大学光电工程学院，吉林 长春 130022
2 吉林省光电测控仪器工程技术研究中心，吉林 长春 130022
3 连云港杰瑞电子有限公司，江苏 连云港 222000
针对积分器入射面的辐照不均匀度高导致的太阳模拟器辐照均匀性较差的问题，设计了一种自由曲面聚光镜。基于点光源模型，根据能量守恒定律和非成像光学中的边光理论，建立光源出射角度与目标面对应点的映射关系；依据菲涅耳定律结合映射关系推导出微分方程，通过龙格-库塔法求解微分方程，计算出离散点数据；拟合离散点数据得到自由曲面聚光镜的母线，旋转母线获得自由曲面聚光镜的初始结构。使用贝塞尔曲线表征自由曲面母线，利用模拟退火算法对引入扩展光源的自由曲面进行反馈优化，从而得到连续的自由曲面面形。采用LightTools软件仿真太阳模拟器光学系统，结果表明：自由曲面聚光镜的辐照均匀性较椭球聚光镜的辐照均匀性显著提升，辐照面50 mm内辐照不均匀度优于0.32%，辐照面100 mm内辐照不均匀度优于0.53%；通过误差仿真分析，依据现有自由曲面加工与检测水平，验证了所设计自由曲面聚光镜加工、检测与装调的可行性。
光学设计 太阳模拟器 自由曲面 辐照不均匀度
西安工业大学光电工程学院，陕西 西安 710021
针对头盔显示系统高像质、全彩显示、结构简单紧凑的应用需求，提出双自由曲面棱镜结构，利用离轴折/反射的原理，设计了一款双通道头盔显示光学系统。通过自定义约束函数，构建了双棱镜模型，运用矩形阵列光瞳采样算法结合矢量像差理论，迭代优化了离轴非旋转对称系统。所设计的投影和透射双通道系统工作波段为400~700 nm，出瞳直径为8.5 mm，出瞳距离为21 mm，体积为41.5 mm×31.5 mm×14.1 mm。投影通道视场为45°，全视场调制传递函数值在61 lp/mm处大于0.3，透射通道视场为52°，全视场调制传递函数值在30 cycle/（°）处大于0.4。对双通道系统进行了眼球动态像质分析，结果表明，在出瞳直径范围内，人眼所接收到的像质基本不受眼球姿态的影响。该双棱镜结构为下一代双通道头盔显示系统提供了可参考的设计方向。
光学设计 头盔显示器 自由曲面棱镜 离轴光学系统 双通道系统 激光与光电子学进展
2023, 60(5): 0522006
1 南京理工大学电子工程与光电技术学院，江苏 南京 210094
2 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所，江苏 苏州 215163
为解决传统双光子显微镜进行脑皮层成像时，存在的视场小和视野与脑轮廓曲率不匹配的问题，提出了一种具有大视场弯曲视野的双光子显微物镜光学设计方案。所提方法根据赛德尔像差理论，推导出了一组用于求解同轴三反初始结构的解。在同轴的基础上，进一步优化为利用自由曲面的离轴三反成像系统。优化后系统的数值孔径达到了0.15，视野曲率半径达到了6 mm，视场角达到了9°×18°，视野大小达到了3.5 mm，系统光学性能良好。合理控制系统结构参数获得了无物理干涉下双物镜联合使用的设计方案，这有利于进一步扩大成像视野。
光学设计 大视场 弯曲视野 离轴三反 脑皮层成像 自由曲面
