蘇宙平

光學元件的面形對光學系統的效能，封裝尺寸等具有重要的影響。光學元件的面形經歷瞭如下的變化如圖1所示，球面，二次曲面及非球面是比較傳統的面形了，這裡就不詳述了，這裡主要談談自由曲面，衍射面及超構表面。

圖1 光學元件面形發展歷程

（一）自由曲面

自由曲面自由度比較高，在光學系統設計中可以減少元件的數量。而非成像光學系統對公差要求相對較低，因此自由曲面在非成像光學中應用比較普遍，比如汽車照明，鐳射整形，光伏應用等等。如圖2我們設計的含自由曲面的鐳射整形系統，透過自由曲面與稜鏡堆相結合的方法，可以把高斯光束整形成條狀均勻光斑。

圖2 自由曲面+稜鏡堆鐳射整形系統

設計自由曲面過程，就是根據輸入輸出的能量對映關係，去構建自由曲面，具體過程這裡就不詳寫了，後面可以專門針對這個內容寫寫。針對這種光學擴充套件量比較大的光源設計起來還是比較麻煩的，比如鐳射有一定發散角，LED光源發光面積較大，針對這些情況也有各種演算法可以構建初始結構，但最終還是要藉助最佳化，這又涉及到使用什麼樣的全域性最佳化演算法，如何實現快速光線追跡，如何保證面形的連續性，後面會開一些相關的課程。

在成像光學中自由曲面雖不如非成像光學那麼普遍但也有一些應用，比如車載抬頭顯示器（HUD），超短焦投影物鏡，超光譜成像以及VR，AR中的一些應用。圖3是一個抬頭顯示（HUD）光學系統，我們採用了離軸雙反的自由曲面結構，採用種子曲線擴充套件的演算法構建初始結構，然後透過一個最佳化完成了最後的設計，對這種離軸的自由曲面系統初始結構設計非常關鍵，因為最佳化過程變數非常多，約束條件也很多（比如控制遮攔的問題，這在同軸系統不需要考慮），如果沒有好的初始條件，那最佳化過程會非常耗時間，甚至可能無法收斂。

圖3 HUD 光學系統

（二）衍射面

衍射光學元件（DOE）在光學系統中也有廣泛的應用，在非成像光學中的應用，透過DOE進行鐳射整形，將高斯光束變為平頂光束，也可以產生更為複雜的光分佈，對VCSEL產生結構光，當然DOE也可以用在成像領域，如消色差，或者衍射多焦點。目前DOE應用比較火的領域就是用DOE產生結構光。用DOE來對光分佈進行調控，關鍵就是計算DOE的相位分佈，演算法也比較多了，比如經典的G-S演算法，當然使用遺傳演算法，退火演算法透過構建合理的評價函式，多次迭代也能得的相位分佈，最佳化的時間取決於初始的相位。圖4就是我們用G-S演算法將一個高斯光斑，變成一個三角形光斑，基本上迭代5-6次就可以了。

圖4 DOE鐳射整形前後光斑分佈

（三）超構表面：

超構材料是一種人工材料，自然界並不存在，由人工的微納結構單元，按某種規則組合而成如圖6所示 【Nat。Commun。（2020）

11

：1991】，可以實現對光的相位，偏振等的調控。 傳統的球面或者非球面透鏡，會受到球差，色差等像差的影響。超構透鏡（Metalens）可以透過單元結構的設計，不僅可以消除球差還能消除寬光譜範圍的色差。

圖5 超構透鏡

【Nat。Commun。（2020）

11

：1991】

目前Metalens 擴充套件應用到了多個領域，比如消色差透鏡，超分辨成像，緊湊型光譜儀，VR，AR等。圖6【Nat。Commun。（2018）

9

： 4562】是metalens在VR，AR中的應用。

圖6 Metalens在VR和AR中的應用

【Nat。Commun。（2018）

9

： 4562】

超構透鏡也可以應用在自動駕駛鐳射雷達的光束操縱裡面如圖7所示 ［Proc。 of SPIE Vol。

11296

112963］。

圖7 超構表面在雷達在光束操縱系統中的應用

【Proc。 of SPIE Vol。 11296 112963】

此外，Lumotive 公司應用液晶超表面實現光束操縱，是一種非機械掃描式的光束操縱方法。至於自動駕駛鐳射雷達接收、發射、光束操縱光學系統的設計，後面可以專門寫一期。

蘇宙平：

在中科院上海光機所獲得博士學位；曾經在羅切斯特大學光學系作訪問學者。主要研究方向，光學設計，半導體照明，鐳射整形等，特別是致力於自由曲面在光學設計中的應用，開展了多種全域性最佳化演算法，人工智慧演算法在複雜光學系統設計中應用，探索matlab， Python與各種光學設計軟體的互動式設計平臺開發。目前從事的光學設計主要是應用於自動駕駛鐳射雷達，人臉識別，車載抬頭顯示，LED照明，智慧車燈，機器視覺，多光譜成像，變焦鏡頭，鐳射整形等。主持國家自然基金，中央高校基本業務課題等8項，在

Opt.Express, Appl.Opt., J.Photo. Enery,

等國內外期刊發表論文近40篇左右，申請專利近15項，獲得兩項成果鑑定，獲輕工業聯合會和中國商業聯合會科技進步二等獎各一次，曾入選江蘇省雙創人才計劃，曾擔任光學學報topics Editor（光學設計與半導體照明方向），常年為Opt。Lett。Opt。Express，等期刊審稿。在光學設計領域具有豐富的經驗，擔任多家公司的顧問，為華為，飛利浦照明，中國航空工業集團，中科院，香港理工大學多家單位的員工提供光學設計培訓服務，並著有《非成像光學設計方法與案例》一書。

後續的講座與課程：

自動駕駛中的鐳射雷達光學設計

車載抬頭顯示器（HUD）中的光學設計

用於VCSEL整形的DOE光學系統設計

用於VR/AR層疊陣列的波導光學設計

機器視覺中的LED陣列照明設計

超短焦投影物鏡光學設計

無人機機載變焦距光學鏡頭設計

微透鏡陣列鐳射整形系統光學設計

自由曲面鐳射整形系統光學設計

各種微型數碼鏡頭光學設計

360度全景鏡頭光學設計

鐳射智慧車燈光學系統設計

超光譜成像儀光學設計

LED照明用的自由曲面光學系統設計

Python（或者Matlab）與Zemax互動式光學設計平臺

人工智慧（深度學習）在光學設計中的應用

離軸多反自由曲面光學系統設計

詳細資訊請加QQ群諮詢：786869891 光電邦

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