什么是自由曲面光学？

光学组件有多种形状和尺寸。传统透镜呈球面形状，最初是唯一可制造的光学表面类型。不过，随着时间的推移，已出现了具有复杂曲率和先进光学属性的非球面光学表面。

对于传统上具有大量透镜或离轴组件的光学系统而言，自由曲面光学是一种理想方法。现代透镜设计、光学工程和光学制造，使构建更复杂的创新元件成为了可能，从而能在提高紧凑性的同时实现更好的光学性能。

许多新的光学系统需要实现小型化，但将多个透镜集成在光学系统中可能会影响其光学和图像质量。与球面透镜相比，自由曲面光学方法不仅能提供更好的光学性能，而且还可以减少光学元件中所需的透镜、反射器或反射镜的数量。该方法不仅使制造商能够创建更小的光学组件，还提供了一种消除光学像差的方法。得益于这些优势，自由曲面光学已被广泛应用于航空航天、汽车和消费类电子等行业。

自由曲面光学的一些关键应用包括：

• 抬头显示器（HUD）
• 望远镜
• 成像系统
• 光束整形和照明应用
• 汽车前照灯
• 红外透镜
• AR/VR头戴式显示设备
• 衍射光学
• 像差波前

虽然自由曲面光学设计有时是为了优化和改善光学系统的现状，但如果没有自由曲面，许多应用将不具备商业可行性。

例如，卫星上使用的望远镜需要多个反射镜来引导光线。如果在缩小望远镜尺寸时未采用自由曲面，图像质量将会受到影响。因此，如果没有自由曲面光学，几乎不可能开发出先进的望远镜。 

HUD也需要通过自由曲面光学技术来获得良好性能，因为其反射光学组件无法安装在车辆仪表板下方。这些系统需要的反射镜的数量比目前要多得多，而且不太可能安装在指定空间中。

自由曲面光学技术还可用于车辆外部照明，其能提供最佳的光线路径，不仅不会照到道路另一侧的驾驶员，而且所需的组件更少。该技术还能被用于汽车后视镜中，为驾驶员提供广阔的视野；同时，由于AR/VR头戴式显示设备对高性能和紧凑组件的需求，自由曲面光学的应用已在该领域变得无处不在。可见，如果没有自由曲面光学，许多新兴的光学技术将无法实现。

如今，用于光学系统的非球形表面在不断增加，可供选择的几何结构比以往任何时候都更加复杂。非球面表面（aspheres，非球面）是最早开发出来的非球形表面透镜类型。如今，人们可以设计和制造非对称自由曲面，为高级光学和光子学应用提供更多功能。

自由曲面光学元件是高性能光学表面，具有非对称性和非恒定曲率，其几何结构比非球面更为复杂。这是一个广泛的分类，涵盖许多不同类型的自由曲面，而这些自由曲面是根据透镜表面几何结构的数学描述命名的。

在每类自由曲面中，只要满足对应的数学函数，就可以存在多种不同的表面几何结构。 

目前一些常用的自由曲面包括：

• XY多项式
• Zernike多项式
• Chebychev多项式
• Q型自由曲面

光学系统所使用的自由曲面类型，取决于系统的需求和最终应用。由于自由曲面透镜表面轮廓中存在潜在的x和y变化，因此可以创建许多XY多项式。 

Zernike自由曲面是设计人员的常用选择，因为它们是由不同的模块化“积木”组合而成的，从而可以根据具体应用需求获得具有不同自由度的自由曲面形态。不同的组合可能性，使Zernike成为了许多自由曲面光学应用的通用选项。

由于Zernike构建模块具有圆形特性，因此，对于需要明显左右或上下不对称、矩形形状的透镜，其设计更依赖于XY多项式和Chebychev表面曲线。Q型自由曲面是一种较新的自由曲面透镜设计，我们可以使用Ansys软件解决方案对其进行设计。这类设计，是应最终用户的直接要求而开发的。

自由曲面光学元件虽然是通过仿真设计的，但根据用于制造透镜的材料不同，其制造工艺也各不相同。对于许多自由曲面光学元件（例如包含金属的基板），用于制造透镜的工具包括数控加工和金刚石车削（也称为金刚石加工）。

在金刚石车削中，金刚石尖端会在各个方向上非常快速地转动，以去除透镜上任何不必要的材料，并确定透镜的表面轮廓。对于塑料光学元件，可以使用一系列注塑成型选项（包括金刚石车削模具插件）来制作具有特定几何结构的自由曲面。然后，通过计量和干涉仪技术确定表面粗糙度以及其他表面和光学属性，以确保透镜性能良好并具备所需的光学特性。

主要的制造难题，在于工艺与设计方法中概述的属性之间的容差。高度优化的仿真设计是光学系统的理想版本，但当开始制造这些组件时，制造工艺的容差会影响最终产品的属性和表面形状。 

根据所采用的制造工艺不同，会存在不同的制造限制。因此，设计流程需要具有稳健性，并在设计阶段考虑这些潜在容差，以确保所设计光学组件和制造的组件之间不存在性能脱节。

先进仿真工具可用于设计任何类型的光学元件：球面、非球面或自由曲面。Ansys Zemax OpticStudio软件和Ansys Speos软件等Ansys解决方案可以针对不同应用轻松对不同类型的自由曲面进行仿真。虽然目前自由曲面的选择由工程师手动完成，但在未来，该选择过程可能会由AI算法自动处理。

OpticStudio软件是一款设计自由曲面光学系统的高效工具，因为它包含内置序列模式，无需手动选择设计中的每个表面，即可实现成像系统设计。Speos软件可用于在设计阶段确定复杂的照明模式。

OpticStudio软件内置了用于自由曲面设计的约束条件，这些约束可以帮助设计方案适应制造商的能力和具体制造工艺的公差要求。此外，OpticStudio软件还包含真正的自由曲面选项，该选项不依赖于特定的数学函数进行优化和容差计算，使工程师能够通过在设计中操纵网格控制点来创建真正的自由曲面。 

Ansys仿真还考虑了自由曲面光学元件所处的更广泛的环境参数，例如局部压力和温度，以便用户全面了解元件的性能表现。

先进仿真工具使工程师能够更改自由曲面设计的参数，以了解其如何影响光学组件的实际性能，包括考虑由制造工艺引发的可能的不规则性。仿真使工程师能够了解其系统是否将通过质量控制、达到预期的性能目标，并确定其产品是否可以大规模制造。

Ansys拥有广泛的仿真工具，可用于对各种可能出现的自由曲面光学情况进行建模。Ansys解决方案提供了一种强大的光学组件设计方法，可考虑物理产品的制造以及制造过程中可能存在的任何容差和灵敏度方面的问题。 

欢迎立即联系我们的技术团队，了解Ansys软件解决方案如何帮助您开发自由曲面光学元件。

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