Che cos'è l'ottica freeform

I componenti ottici sono disponibili in diverse forme e dimensioni. Le lenti tradizionali hanno una forma sferica e per molti anni sono state l'unico tipo di superficie ottica che potesse essere fabbricato. Nel tempo, sono state sviluppate superfici ottiche non sferiche con curvature complesse e proprietà ottiche avanzate.

L'ottica free form è l'approccio ideale per i sistemi ottici che tradizionalmente hanno un elevato numero di lenti o componenti fuori asse. Il design moderno delle lenti, l'ingegneria ottica e la produzione dell'ottica consentono di creare elementi innovativi e più complessi, migliorando le prestazioni ottiche e aumentando la compattezza.

Molti nuovi sistemi ottici richiedono dimensioni ridotte, ma la compressione di più lenti in un sistema ottico può influire sulla qualità ottica e delle immagini. L'approccio dell'ottica freeform offre migliori prestazioni ottiche rispetto alle lenti sferiche ed è in grado di ridurre il numero di lenti, riflettori o specchi in un elemento ottico. Ciò consente ai produttori di creare componenti ottici di dimensioni inferiori e fornisce un modo per rimuovere le aberrazioni ottiche. Grazie a questi vantaggi, l'ottica freeform viene utilizzata nei settori aerospaziale, automobilistico e dell'elettronica di consumo.

Alcune applicazioni chiave per l'ottica freeform includono:

• Heads-up display (HUD)
• Telescopi
• Sistemi di imaging
• Modellazione del fascio e applicazioni di illuminazione
• Fari per veicoli
• Lenti a infrarossi
• Visori AR/VR
• Ottica diffrattiva
• Fronti d'onda aberrati

Sebbene la progettazione ottica freeform venga talvolta implementata per ottimizzare e migliorare lo stato quo dei sistemi ottici, molte applicazioni non sarebbero commercialmente possibili senza superfici freeform.

Ad esempio, i telescopi utilizzati sui satelliti richiedono più specchi per guidare la luce. Se non si utilizzano superfici freeform nella riduzione delle dimensioni dei telescopi, la qualità dell'immagine ne risente. Per questo motivo, è quasi impossibile sviluppare telescopi avanzati senza l'ottica freeform. 

Anche gli head-up display (HUD) richiedono l'ottica freeform per funzionare bene poiché i relativi componenti ottici riflettenti non rientrano sotto il cruscotto di un veicolo. Questi sistemi richiedono molti più specchi di quelli attualmente utilizzati e difficilmente si adattano allo spazio designato.

L'ottica freeform è diventata utile anche per l'illuminazione esterna dei veicoli in quanto fornisce un percorso ottimale del fascio luminoso che non illumina i conducenti sull'altro lato della strada e utilizza al contempo un numero inferiore di componenti. Inoltre, viene utilizzata negli specchi per auto per fornire un ampio campo visivo al conducente ed è diventata onnipresente nei visori AR/VR a causa della necessità di componenti compatti e ad alte prestazioni. Pertanto, senza l'ottica freeform, molte tecnologie ottiche emergenti non sarebbero possibili.

Il numero di superfici non sferiche in sviluppo oggi è in aumento, con un numero di geometrie complesse più elevato che mai. Le superfici asferiche (asfere) sono state il primo tipo di lente non sferica a essere sviluppata. Oggi, le superfici freeformnon simmetriche possono essere progettate e prodotte per offrire una maggiore versatilità per le applicazioni ottiche e fotoniche avanzate.

L'ottica freeform è costituita da superfici ottiche ad alte prestazioni con assenza di simmetria e curvatura non costante che sono più geometricamente complesse delle asfere. Si tratta di un'ampia classificazione che include molti tipi diversi di superfici freeform, denominati in base alla descrizione matematica della geometria della superficie della lente.

All'interno di ciascuna di queste classi di superfici freeform, possono esistere diverse geometrie di superficie, purché seguano la funzione matematica. 

Alcune delle superfici freeform più comuni utilizzate oggi includono:

• Polinomi XY
• Zernike
• Chebychev
• Freeform di tipo Q

Il tipo di freeform utilizzato per un sistema ottico è regolato dalle esigenze del sistema e dall'applicazione finale. È possibile creare molti polinomi XY a causa delle potenziali variazioni x e y nel profilo della superficie della lente freeform. 

Le freeform Zernike sono una scelta diffusa tra i progettisti perché vengono create combinando diversi "mattoni" modulari per formare un modello a freeform con diversi gradi di libertà in base all'applicazione prevista. La gamma di possibili combinazioni rende Zernike un'opzione molto versatile per molte applicazioni ottiche freeform.

Gli elementi costitutivi Zernike sono di natura circolare, pertanto le lenti che richiedono superfici solide a destra e sinistra o superfici rettangolari asimmetriche in alto e in basso si basano maggiormente sui polinomi XY e sui profili di superficie Chebychev. Le freeform di tipo Q sono lenti freeform di recente progettazione che possono essere progettate con le soluzioni software Ansys. Queste sono state sviluppate per rispondere alle richieste dirette da parte degli utenti finali.

Le soluzioni ottiche freeform sono progettate attraverso la simulazione, ma richiedono processi di produzione diversi a seconda dei materiali utilizzati per realizzare le lenti in forme di superficie complesse. Per molte soluzioni ottiche freeform, come i substrati che includono i metalli, gli strumenti utilizzati per realizzare queste lenti includono la lavorazione CNC e la tornitura a diamante (nota anche come lavorazione a diamante).

Nella tornitura a diamante, la punta di un diamante gira molto rapidamente in ogni direzione per rimuovere qualsiasi materiale indesiderato sulla lente e definire il profilo della superficie della lente. Per l'ottica in plastica, è possibile utilizzare una gamma di opzioni di stampaggio a iniezione (inclusi gli inserti torniti a diamante) per creare superfici freeformcon geometrie specifiche. La ruvidità della superficie e altre proprietà ottiche e della superficie vengono quindi determinate dalle tecniche metrologiche e interferometriche per garantire che la lente funzioni bene e contenga le caratteristiche ottiche desiderate.

La principale sfida di produzione risiede nella tolleranza del processo rispetto alle proprietà indicate nel metodo di progettazione. Un progetto simulato presenta un alto livello di ottimizzazione ed è una versione ideale di un sistema ottico. Quando questi componenti iniziano a essere prodotti, le tolleranze del processo di produzione possono influire sulle proprietà del prodotto finale e sulla forma della superficie. 

Esistono diversi vincoli di produzione a seconda della tecnica utilizzata. Il processo di progettazione deve essere solido e tenere conto di queste potenziali tolleranze durante la fase di progettazione per garantire che non vi sia un distacco delle prestazioni tra il progetto del componente ottico e i componenti prodotti.

È possibile utilizzare strumenti di simulazione avanzata per progettare qualsiasi tipo di elemento ottico: sferico, asferico o freeform. Le soluzioni Ansys, come il software Ansys Zemax OpticStudio e il software Ansys Speos possono simulare facilmente diversi tipi di superfici freeform per diverse applicazioni. Mentre la scelta della freeform viene attualmente completata manualmente dagli ingegneri, in futuro il processo di selezione della freeform potrebbe essere gestito automaticamente dagli algoritmi di intelligenza artificiale.

Il software OpticStudio è uno strumento efficiente per la progettazione di sistemi ottici freeforma poiché contiene una modalità sequenziale integrata che consente la progettazione di sistemi di imaging senza la necessità di scegliere manualmente ciascuna superficie all'interno del progetto. Il software Speos può essere utilizzato per determinare schemi di illuminazione complessi attraverso un progetto.

Il software OpticStudio include vincoli integrati per superfici freeform che consentono al progetto di compensare le funzionalità e le tolleranze del produttore e dello specifico processo di produzione. Il software OpticStudio contiene inoltre un'opzione freeform reale che non si basa su una funzione matematica specifica per l'ottimizzazione e la tolleranza, consentendo agli ingegneri di creare una superficie realmente libera manipolando i punti di controllo della griglia nel progetto. 

Le simulazioni Ansys considerano anche parametri ambientali più ampi a cui sono esposte le ottiche freeform, come la pressione e la temperatura locali, per ottenere un quadro generale.

Gli strumenti di simulazione avanzati consentono agli ingegneri di modificare i parametri di un progetto freeform per vedere in che modo influisce sulle prestazioni reali di un componente ottico, tenendo conto di eventuali irregolarità che potrebbero verificarsi a causa del processo di produzione. Grazie alla simulazione, gli ingegneri possono verificare se i loro sistemi supereranno il controllo di qualità e raggiungeranno gli obiettivi di prestazioni desiderati nonché determinare se i loro prodotti possano essere fabbricati su larga scala.

Ansys dispone di un'ampia gamma di strumenti di simulazione per la modellazione di qualsiasi eventualità ottica freeform. Le soluzioni Ansys offrono un metodo affidabile per progettare componenti ottici che tengono conto degli aspetti di produzione del prodotto fisico e di eventuali tolleranze e sensibilità che potrebbero essere presenti durante la fabbricazione. 

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