自由曲面光学系统设计方法及其在头盔显示技术中的应用研究

本书主要介绍自由曲面应用于成像光学系统的设计与应用，旨在提供灵活的空间布局和众多的设计自由度，大幅提高系统性能，有效减小系统体积和重量，对我国光学工业和国防建设的发展具有重要的理论意义与实用价值。本书对自由曲面成像系统优化设计中的一系列关键问题进行了深入研究，并将理论研究成果成功地应用于头盔显示器这一类典型的对体积重量有严格要求的大视场、大相对孔径目视光学系统的设计和研制中。主要内容包括：自由曲面数学描述方法；自由曲面成像系统逐步逼近优化算法；通用型Wassermann-Wolf偏微分方程系统初始结构的求解方法；像面整体成像质量的自动平衡算法；自由曲面楔形棱镜式头盔显示器目视光学系统的设计和优化；自由曲面拼接式大视场、高分辨率头盔显示设方法；自由曲面双焦面真实立体感头盔显示方案和相关设计。本书作为基于自由曲面的成像光学系统设计类书籍，可作为高等院校相关专业高年级本科生、以及研究生学习光学成像系统设计的教材或参考书。

\"程德文，男，北京理工大学教授，博导。国内最早从事自由曲面光学系统设计、虚拟现实（VR）和增强现实（AR）头戴显示技术的研究。获得国家优秀青年科学基金的资助。申请专利近100项，包括美国和欧洲授权发明专利9项。发表80余篇高水平学术论文。承担国家973、863子课题、国家自然科学基金等项目20余项。担任中国光学学会光学制造技术专委会常务委员、美国光学学会光学前沿学术会议委员会委员、Optics Letters, Optics Express, Applied Optics等期刊特邀审稿人。 王涌天，男，北京理工大学教授，博导。长期在技术光学和虚拟现实领域从事教学和科研工作，主要研究方向包括光学系统设计和CAD、新型三维显示、虚拟现实和增强现实、医学图像处理等方面。北京理工大学信息与电子学部主任，教育部长江学者特聘教授、国家973项目首席科学家。兼任全国政协委员，国务院学位委员会光学工程学科评议组召集人，科技部信息技术领域专家组成员，教育部科学技术委员会委员，国际标准组织（ISO）有关标准制定专家组成员，国际工程光学学会（SPIE）、美国光学学会（OSA）和英国工程技术学会（IET）Fellow等职。\"

第1章 绪论 1.1 自由曲面成像光学系统 1.1.1 光学自由曲面的定义 1.1.2 自由曲面在成像光学系统中的应用实例 1.1.2.1 电视、电影投影系统 1.1.2.2 渐变焦点眼镜 1.1.2.3 照相机物镜 1.1.2.4 激光扫描系统 1.1.2.5 分色器 1.1.2.6 汽车后视镜 1.1.2.7 变焦镜头 1.1.2.8 消色差单透镜 1.1.2.9 空间相机 1.1.2.10 超近距投影仪 1.1.2.11 自由曲面楔形棱镜目视光学系统 1.1.3 光学自由曲面的作用与意义 1.1.4 自由曲面成像系统优化设计方法的研究现状 1.2 自由曲面头盔显示光学系统 1.2.1 离轴中继结构头盔显示技术 1.2.2 自由曲面楔形棱镜头盔显示技术 第2章 光学自由曲面的数学描述方法研究 2.1 光学自由曲面数学描述方法 2.1.1 双曲率面 2.1.2 复曲面 2.1.3 p阶XY多项式曲面 2.1.4 复曲面基底XY多项式曲面 2.1.5 梯形畸变校正曲面 2.1.6 福布斯曲面 2.1.7 泽尔尼克多项式曲面 2.1.8 高斯基函数复合曲面 2.1.9 非均匀有理B样条曲面 2.2 自由曲面像差校正能力与光线追迹速度分析 2.2.1 自由曲面对像差的校正能力 2.2.2 自由曲面的光线追迹速度 2.2.3 自由曲面成像系统优化收敛速度分析 2.3 自由曲面的形态学演变 2.3.1 曲面重构方法 2.3.1.1 拟合曲面的定位匹配方法 2.3.1.2 最小二乘法（LSQ）和奇异值分解方法（SVD） 2.3.1.3 最优化求解方法 2.3.2 最佳拟合球面与复曲面基底面 2.3.3 同阶复曲面、XY多项式曲面和AXYP曲面间的拟合转换 第3章 自由曲面成像系统设计的逐步逼近优化算法 3.1 逐步逼近优化算法原理 3.2 逐步逼近优化算法实例 3.3 逐步逼近优化算法的分阶段优化 3.3.1 逐步逼近优化算法初始结构的建立 3.3.2 逐步逼近优化过程 3.3.2.1 全球面结构 3.3.2.2 全非球面结构