从自由曲面到超构表面-光学设计中面形选择

                                苏宙平

    光学元件的面形对光学系统的性能，封装尺寸等具有重要的影响。光学元件的面形经历了如下的变化如图1所示，球面，二次曲面及非球面是比较传统的面形了，这里就不详述了，这里主要谈谈自由曲面，衍射面及超构表面。

图1 光学元件面形发展历程

（一）自由曲面

      自由曲面自由度比较高，在光学系统设计中可以减少元件的数量。而非成像光学系统对公差要求相对较低，因此自由曲面在非成像光学中应用比较普遍，比如汽车照明，激光整形，光伏应用等等。如图2我们设计的含自由曲面的激光整形系统，通过自由曲面与棱镜堆相结合的方法，可以把高斯光束整形成条状均匀光斑。

图2 自由曲面+棱镜堆激光整形系统

设计自由曲面过程，就是根据输入输出的能量映射关系，去构建自由曲面，具体过程这里就不详写了，后面可以专门针对这个内容写写。针对这种光学扩展量比较大的光源设计起来还是比较麻烦的，比如激光有一定发散角，LED光源发光面积较大，针对这些情况也有各种算法可以构建初始结构，但最终还是要借助优化，这又涉及到使用什么样的全局优化算法，如何实现快速光线追迹，如何保证面形的连续性，后面会开一些相关的课程。

    在成像光学中自由曲面虽不如非成像光学那么普遍但也有一些应用，比如车载抬头显示器（HUD）,超短焦投影物镜，超光谱成像以及VR,AR中的一些应用。图3是一个抬头显示（HUD）光学系统，我们采用了离轴双反的自由曲面结构，采用种子曲线扩展的算法构建初始结构，然后通过一个优化完成了最后的设计，对这种离轴的自由曲面系统初始结构设计非常关键，因为优化过程变量非常多，约束条件也很多（比如控制遮拦的问题，这在同轴系统不需要考虑），如果没有好的初始条件，那优化过程会非常耗时间，甚至可能无法收敛。

               图3 HUD 光学系统

（二）衍射面

衍射光学元件(DOE)在光学系统中也有广泛的应用，在非成像光学中的应用，通过DOE进行激光整形，将高斯光束变为平顶光束，也可以产生更为复杂的光分布，对VCSEL产生结构光，当然DOE也可以用在成像领域，如消色差，或者衍射多焦点。目前DOE应用比较火的领域就是用DOE产生结构光。用DOE来对光分布进行调控，关键就是计算DOE的相位分布，算法也比较多了，比如经典的G-S算法，当然使用遗传算法，退火算法通过构建合理的评价函数，多次迭代也能得的相位分布，优化的时间取决于初始的相位。图4就是我们用G-S算法将一个高斯光斑，变成一个三角形光斑，基本上迭代5-6次就可以了。

                         图4DOE激光整形前后光斑分布

（三）超构表面：

      超构材料是一种人工材料，自然界并不存在，由人工的微纳结构单元，按某种规则组合而成如图6所示 【Nat.Commun.(2020)11:1991】,可以实现对光的相位，偏振等的调控。传统的球面或者非球面透镜，会受到球差，色差等像差的影响。超构透镜（Metalens）可以通过单元结构的设计，不仅可以消除球差还能消除宽光谱范围的色差。

图5 超构透镜

                        【Nat.Commun.(2020)11:1991】

目前Metalens扩展应用到了多个领域，比如消色差透镜，超分辨成像，紧凑型光谱仪,VR,AR等。图6【Nat.Commun.(2018) 9:4562】是metalens在VR,AR中的应用.

                     图6  Metalens在VR和AR中的应用

                            【Nat.Commun.(2018) 9:4562】

超构透镜也可以应用在自动驾驶激光雷达的光束操纵里面如图7所示 [Proc. of SPIE Vol. 11296 112963]。

图7 超构表面在雷达在光束操纵系统中的应用

【Proc.of SPIE Vol. 11296 112963】

此外，Lumotive公司应用液晶超表面实现光束操纵，是一种非机械扫描式的光束操纵方法。至于自动驾驶激光雷达接收、发射、光束操纵光学系统的设计，后面可以专门写一篇。

  苏宙平：在中科院上海光机所获得博士学位；曾经在罗切斯特大学光学系作访问学者。主要研究方向，光学设计，半导体照明，激光整形等，特别是致力于自由曲面在光学设计中的应用，开展了多种全局优化算法，人工智能算法在复杂光学系统设计中应用，探索matlab, Python与各种光学设计软件的交互式设计平台开发。目前从事的光学设计主要是应用于自动驾驶激光雷达，人脸识别，车载抬头显示，LED照明，智能车灯，机器视觉，多光谱成像，变焦镜头，激光整形等。主持国家自然基金，中央高校基本业务课题等8项，在Opt.Express, Appl.Opt., J.Photo. Enery,等国内外期刊发表论文近40篇左右，申请专利近15项，获得两项成果鉴定，获轻工业联合会和中国商业联合会科技进步二等奖各一次，曾入选江苏省双创人才计划，曾担任光学学报topics Editor(光学设计与半导体照明方向)，常年为Opt.Lett.Opt.Express,等期刊审稿。在光学设计领域具有丰富的经验，担任多家公司的顾问，为华为，飞利浦照明，中国航空工业集团，中科院，香港理工大学多家单位的员工提供光学设计培训服务，并著有《非成像光学设计方法与案例》一书。

后续的讲座与课程：

自动驾驶中的激光雷达光学设计

车载抬头显示器(HUD)中的光学设计

用于VCSEL整形的DOE光学系统设计

用于VR/AR层叠阵列的波导光学设计

机器视觉中的LED阵列照明设计

超短焦投影物镜光学设计

无人机机载变焦距光学镜头设计

微透镜阵列激光整形系统光学设计

自由曲面激光整形系统光学设计

各种微型数码镜头光学设计

360度全景镜头光学设计

激光智能车灯光学系统设计

超光谱成像仪光学设计

LED照明用的自由曲面光学系统设计

Python（或者Matlab）与Zemax交互式光学设计平台

人工智能（深度学习）在光学设计中的应用

离轴多反自由曲面光学系统设计

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