自由曲面反射式成像系统还可以用于实现某些特殊功能或实现某些特殊的性质。如自由曲面双通道双视场两档变焦系统，其中的短焦端用于搜索，长焦端用于精细的观测。还有另一种实现双视场双焦距的自由曲面离轴三反系统形式。
2、自由曲面离轴反射式成像系统
自由曲面在目视成像系统中的典型应用包含头盔显示器、平视显示器、相机电子取景器等。头盔显示器（HMD）是虚拟现实（VR）与增强现实（AR）系统最常用的设备，在国防、科教、医疗、娱乐等诸多领域有重要的应用。
为了让用户佩戴更舒适并实现更强的功能，目前头盔显示器向着小型化、轻量化、离轴化方向发展，同时追求更大的视场、更长的出瞳距、更大的出瞳直径。使用传统球面以及非球面已经难以满足上述设计要求，而使用自由曲面可以较好地解决上述问题。
程德文教授设计了一款大视场、大相对孔径的自由曲面楔形棱镜式头盔目视系统，如图4(a)所示。整个系统结构简单、体积小、质量轻。此外，程德文教授还提出了基于光学自由曲面无缝拼接的超大视场、高分辨率拼接式头盔显示器方案[图4(b)]，消除了大画幅虚拟图像的纱窗效应。
图4 自由曲面棱镜式头盔显示器设计实例。
(a)自由曲面小F数大视场头盔显示器；(b)自由曲面拼接棱镜式头盔显示器
除了自由曲面棱镜式头盔显示器之外，自由曲面在带有合成器的视透型头盔显示器中也得到了应用。而波导型头盔显示器因为其可以实现很薄的镜片厚度以及较大的出瞳直径，受到了越来越多的关注。将自由曲面引入到波导型头盔显示器的投影系统设计，可以有效提升系统成像质量并且减少系统中的元件个数，使系统实现轻量化。此外，自由曲面已被成功地用于HUD系统设计和相机电子取景器的光学设计中。
3、自由曲面在其他类型成像系统中的应用
除了上述已经介绍的应用之外，自由曲面在成像领域还有一些典型应用。如将f-θ物镜应用在扫描系统中，可以有效提高像质，增大视场角；将自由曲面引入超近距投影仪，可以实现更简单的系统结构、更小的系统体积、更少的元件个数、更好的成像质量、更大的视场、更小的投射比等；在光刻物镜中使用自由曲面，可以增大系统的数值孔径或曝光视场，达到更高的系统分辨率，并且可以减少透镜个数，减小系统的设计尺寸；在微透镜阵列设计中使用自由曲面，易于实现对入射光线的大角度偏折，从而实现大视场成像，且可以更好地校正像差、得到成像质量更好的优化结果，并可以减小系统体积。
自由曲面还在内窥镜、汽车和摩托车后视镜、棱镜组成的超薄相机物镜、折反式角膜成像系统、用于实现像面横向平移的棱镜、线性波数光谱仪等系统和元件设计中得到了成功的应用。
可以看出，如果将自由曲面用于成像系统设计，可以实现传统光学系统难以实现的高性能指标，如大视场、大孔径、小F数等。同时，也可以实现以往难以实现的特殊系统结构与功能，这在成像系统设计中有重要的意义。
此外，自由曲面光学还可以和光学领域的其他研究方向相结合，例如计算成像、衍射光学和微纳光学领域。这些都只是自由曲面成像光学的部分研究方向，但实际可能的发展方向远远不止这些。自由曲面成像光学作为光学领域未来的研究热点，如何将相关研究成果将深刻推动应用光学领域的发展，在应用方面不断激发新的可能性，是当下发展的方向。
作者：杨通,段璎哲,程德文,王涌天
