自由曲面光学镜面设计开题报告

1. 研究目的与意义

在现代社会中，自由曲面（free-from）的用途非常广泛，车辆的车身、飞机的机翼、轮船的船体等都是自由曲面。在工业上，自由曲面指的是不能用初等函数解析完全表达清楚的形状；而在光学系统中，自由曲面技术是用于非对称复杂光学设计表面加工的技术，主要应用领域是空间遥感、led外壳、眼镜等方面。

本课题的目的是通过设计一个非球面的自由曲面，了解并实施自由曲面光学镜片的设计，加深对自由曲面光学镜片的理解，增强动手能力。

光学系统的入瞳直径是决定空间相机地面像元分辨率的主要因素之一，入瞳直径越大，空间相机地面像元分辨率越高。但入瞳直径的增加，意味着所有与孔径相关的像差增加。受空间环境中力学、热学、压力等因素的制约，当入瞳直径增大到一定程度（通常200mm以上），光学系统一般采用反射式或折反射式方案。为了简化光学系统，仅采用球面镜是无法平衡由于入瞳直径增加而剧增的像差，然而通过自由曲面的应用，可以解决像差增大的问题，优化光学系统自由度，提升平衡像差的能力。在眼镜行业中，传统球面眼镜片，边缘视觉效果差，镜片厚重，给佩戴者带来诸多不便。如图1所示，非球面镜改善成像效果的能力是显而易见的。为此，眼视工作者提出用非球面镜片替代球面镜片，从而帮助屈光不正患者得到较好的视觉效果。非球面眼镜片能很好地减小球面镜片固有像差，较之与传统的球面眼镜片，非球面镜片有离轴等效焦度几乎不变、像散小、视觉畸变小等优点，而且更轻便、外形更美观。这些例子都明确地说明了，我们的生活与科技发展都离不开自由曲面光学镜片。

2. 研究内容和预期目标

自由曲面镜片相对于传统球型镜片，具有明显改善视场受限、优化光学性能、个性化设计等优点。如下图2可看出：左边球面镜具有球面像差，右边非球面镜具有焦点一致性。尽管自由曲面镜片镜具有诸多好处，但是它的设计过程要比普通镜片困难许多。本次研究，我们就以非球面光学眼镜片为例，研究设计光学自由曲面。

为了更好的研究自由曲面光学镜片，需要复习应用光学上的知识以及matlab软件的运用。设计过程中需要熟悉非球面的数学表达式，通过表达式确定关键点，由点确定线，由线确定面，最终设计完成一个符合要求的自由曲面。

3. 研究的方法与步骤

研究方法