自由曲面反射式成像系統(tǒng)還可以用于實(shí)現(xiàn)某些特殊功能或?qū)崿F(xiàn)某些特殊的性質(zhì)。如自由曲面雙通道雙視場(chǎng)兩檔變焦系統(tǒng)，其中的短焦端用于搜索，長(zhǎng)焦端用于精細(xì)的觀測(cè)。還有另一種實(shí)現(xiàn)雙視場(chǎng)雙焦距的自由曲面離軸三反系統(tǒng)形式。

2、自由曲面離軸反射式成像系統(tǒng)

自由曲面在目視成像系統(tǒng)中的典型應(yīng)用包含頭盔顯示器、平視顯示器、相機(jī)電子取景器等。頭盔顯示器（HMD）是虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）系統(tǒng)最常用的設(shè)備，在國(guó)防、科教、醫(yī)療、娛樂(lè)等諸多領(lǐng)域有重要的應(yīng)用。

為了讓用戶佩戴更舒適并實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的功能，目前頭盔顯示器向著小型化、輕量化、離軸化方向發(fā)展，同時(shí)追求更大的視場(chǎng)、更長(zhǎng)的出瞳距、更大的出瞳直徑。使用傳統(tǒng)球面以及非球面已經(jīng)難以滿足上述設(shè)計(jì)要求，而使用自由曲面可以較好地解決上述問(wèn)題。

程德文教授設(shè)計(jì)了一款大視場(chǎng)、大相對(duì)孔徑的自由曲面楔形棱鏡式頭盔目視系統(tǒng)，如圖4(a)所示。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量輕。此外，程德文教授還提出了基于光學(xué)自由曲面無(wú)縫拼接的超大視場(chǎng)、高分辨率拼接式頭盔顯示器方案[圖4(b)]，消除了大畫幅虛擬圖像的紗窗效應(yīng)。

圖4 自由曲面棱鏡式頭盔顯示器設(shè)計(jì)實(shí)例。

(a)自由曲面小F數(shù)大視場(chǎng)頭盔顯示器；(b)自由曲面拼接棱鏡式頭盔顯示器

除了自由曲面棱鏡式頭盔顯示器之外，自由曲面在帶有合成器的視透型頭盔顯示器中也得到了應(yīng)用。而波導(dǎo)型頭盔顯示器因?yàn)槠淇梢詫?shí)現(xiàn)很薄的鏡片厚度以及較大的出瞳直徑，受到了越來(lái)越多的關(guān)注。將自由曲面引入到波導(dǎo)型頭盔顯示器的投影系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以有效提升系統(tǒng)成像質(zhì)量并且減少系統(tǒng)中的元件個(gè)數(shù)，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)輕量化。此外，自由曲面已被成功地用于HUD系統(tǒng)設(shè)計(jì)和相機(jī)電子取景器的光學(xué)設(shè)計(jì)中。

3、自由曲面在其他類型成像系統(tǒng)中的應(yīng)用

除了上述已經(jīng)介紹的應(yīng)用之外，自由曲面在成像領(lǐng)域還有一些典型應(yīng)用。如將f-θ物鏡應(yīng)用在掃描系統(tǒng)中，可以有效提高像質(zhì)，增大視場(chǎng)角；將自由曲面引入超近距投影儀，可以實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)單的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、更小的系統(tǒng)體積、更少的元件個(gè)數(shù)、更好的成像質(zhì)量、更大的視場(chǎng)、更小的投射比等；在光刻物鏡中使用自由曲面，可以增大系統(tǒng)的數(shù)值孔徑或曝光視場(chǎng)，達(dá)到更高的系統(tǒng)分辨率，并且可以減少透鏡個(gè)數(shù)，減小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)尺寸；在微透鏡陣列設(shè)計(jì)中使用自由曲面，易于實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光線的大角度偏折，從而實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)成像，且可以更好地校正像差、得到成像質(zhì)量更好的優(yōu)化結(jié)果，并可以減小系統(tǒng)體積。

自由曲面還在內(nèi)窺鏡、汽車和摩托車后視鏡、棱鏡組成的超薄相機(jī)物鏡、折反式角膜成像系統(tǒng)、用于實(shí)現(xiàn)像面橫向平移的棱鏡、線性波數(shù)光譜儀等系統(tǒng)和元件設(shè)計(jì)中得到了成功的應(yīng)用。

可以看出，如果將自由曲面用于成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)的高性能指標(biāo)，如大視場(chǎng)、大孔徑、小F數(shù)等。同時(shí)，也可以實(shí)現(xiàn)以往難以實(shí)現(xiàn)的特殊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能，這在成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)中有重要的意義。

此外，自由曲面光學(xué)還可以和光學(xué)領(lǐng)域的其他研究方向相結(jié)合，例如計(jì)算成像、衍射光學(xué)和微納光學(xué)領(lǐng)域。這些都只是自由曲面成像光學(xué)的部分研究方向，但實(shí)際可能的發(fā)展方向遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些。自由曲面成像光學(xué)作為光學(xué)領(lǐng)域未來(lái)的研究熱點(diǎn)，如何將相關(guān)研究成果將深刻推動(dòng)應(yīng)用光學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，在應(yīng)用方面不斷激發(fā)新的可能性，是當(dāng)下發(fā)展的方向。

作者：楊通,段瓔哲,程德文,王涌天