自由曲面光學是什麼？

光學元件的形狀與尺寸多種多樣。傳統透鏡為球面形狀，並曾經是長期以來唯一可製造的光學表面類型。隨著技術發展，出現了具有複雜曲率與先進光學特性的非球面光學表面。

自由曲面光學是傳統上需要大量透鏡或離軸元件光學的系統的理想解決方案。現代透鏡設計、光學工程與製造技術，使創新且更複雜的光學元件得以實現，不僅提升光學效能，同時最佳化結構緊湊性。

許多新型光學系統需要小型化，但在系統內堆疊多片透鏡可能影響光學與成像品質。自由曲面光學相比球面透鏡能提供更優異的光學效能，並可減少光學元件中的透鏡、反射器或鏡面數量。這使得製造商能夠生產更小型的光學元件，同時有效消除光學像差。由於這些優勢，自由曲面光學廣泛應用於航太、汽車與消費性電子產業。

自由曲面光學的主要應用包括：

• 抬頭顯示器 (HUD)
• 望遠鏡
• 成像系統
• 光束整形與照明應用
• 車輛頭燈
• 紅外線透鏡
• AR/VR 頭戴裝置
• 繞射光學元件
• 像差波前校正

雖然自由曲面光學設計有時用於最佳化並提升現有光學系統，但對於許多應用而言，若無自由曲面光學，將難以實現商業化。

例如，衛星望遠鏡需要多面鏡片來引導光線。若在縮小望遠鏡尺寸時未採用自由曲面光學，成像品質將受到影響。因此，若無自由曲面光學，幾乎無法研發先進的望遠鏡。 

HUD 也需要自由曲面光學來確保良好性能，因為其反射式光學元件無法直接適應車輛儀表板下方的空間限制。這類系統若未採用自由曲面光學，將需要更多鏡片，且難以容納於既定的安裝空間。

自由曲面光學在車輛外部照明中也發揮了重要作用，能夠最佳化光束路徑，在減少元件數量的同時，避免照射對向車輛駕駛。自由曲面光學也應用於車用後視鏡，以提供駕駛更廣闊的視野。此外，由於 AR/VR 頭戴裝置對高性能與小型化元件的需求，它已成為此領域的標準技術。因此，若沒有自由曲面光學，許多新興的光學技術將無法實現。

目前正在開發的非球面光學表面數量不斷增加，且可選擇的複雜幾何形狀比以往任何時候都更多。非球面表面 (aspheres) 是首個開發出來的非球面透鏡類型。如今，非對稱的自由曲面可以被設計與製造，以提供更大的靈活性，應用於先進的光學與光子學領域。

自由曲面光學是具有不對稱性和不等曲率的高效能光學表面，其幾何結構比非球面更為複雜。這是一個廣泛的分類，涵蓋了許多不同類型的自由曲面，這些曲面根據透鏡表面幾何的數學描述來命名。

在每個自由曲面類別中，只要遵循數學函數，就可以存在多種表面幾何形狀。 

目前常用的一些自由曲面包括：

• XY 多項式
• 澤爾尼克 (Zernike)
• 柴比雪夫 (Chebychev)
• Q 型自由曲面

光學系統中使用的自由曲面類型取決於系統的需求和最終應用。由於自由曲面透鏡表面輪廓中可能存在的 x 和 y 變化，可以創建許多 XY 多項式。 

澤爾尼克自由曲面是設計師的熱門選擇，因為它們是透過將不同模組化的「磚塊」結合在一起，根據預定的應用需求，形成具有不同自由度的自由曲面模式。廣大的可能組合範圍使得澤爾尼克成為許多自由曲面光學應用中非常具彈性的選擇。

澤爾尼克積木是圓形的，因此需要強烈左右表面或上下不對稱矩形表面的透鏡，則更多依賴於 XY 多項式和柴比雪夫表面輪廓。Q 型自由曲面是一種較新的自由曲面透鏡設計，可以使用 Ansys 軟體解決方案進行設計。這些設計是根據最終使用者的直接需求開發的。

自由曲面光學是透過模擬設計的，但根據製作透鏡成為複雜表面形狀所使用的材料不同，需要採用不同的製造流程。對於許多自由曲面光學元件，例如包含金屬的基板，製作這些透鏡的工具包括 CNC 加工和鑽石車削 (也稱為鑽石加工)。

在鑽石車削中，鑽石刀具的尖端以非常快速的速度朝各個方向旋轉，以去除透鏡上多餘的材料並定義透鏡的表面輪廓。對於塑料光學元件，可以使用多種注塑成型選項 (包括鑽石車削模具插入件) 來製作具有特定幾何形狀的自由曲面。接著，透過計量學與干涉儀技術來測定表面粗糙度及其他表面和光學特性，以確保透鏡能良好運作並具備所需的光學特性。

主要的製造挑戰在於工藝的公差是否能符合設計方法所規範的特性。模擬設計經過高度最佳化，是光學系統的理想版本。當這些元件進入製造階段時，製程公差可能會影響最終產品的特性與表面形狀。 

根據採用的製造技術不同，會存在不同的製程限制。設計過程必須具備高度穩健性，並在設計階段考量這些潛在公差，以確保光學元件的設計與實際製造出的元件之間不會產生性能落差。

先進的模擬工具可以用來設計各種光學元件：球面、非球面或自由曲面。Ansys 解決方案，如 Ansys Zemax OpticStudio 軟體和 Ansys Speros 軟體，可以輕鬆模擬不同應用需求的各種類型的自由曲面。目前自由曲面選擇是由工程師手動完成的，但未來這一選擇過程有可能由 AI 演算法自動處理。

OpticStudio 軟體是設計自由曲面光學系統的高效率工具，因為它內建順序模式，能夠在不需要手動選擇設計中每個表面的情況下，進行成像系統設計。Speos 軟體可用於分析設計中的複雜照明模式。

OpticStudio 軟體內建自由曲面設計約束條件，使設計能夠針對製造商的能力與公差以及特定製程進行補償與調整。OpticStudio 軟體還提供真正的自由曲面選項，不依賴特定數學函數來進行最佳化與公差調整，讓工程師可透過操控設計中的網格控制點來創建真正的自由曲面。 

Ansys 模擬還會考量自由曲面光學元件所處的更廣泛環境參數，例如當地的壓力與溫度，以便了解整體情況。

先進的模擬工具使工程師能夠調整自由曲面設計的參數，觀察其對光學元件實際性能的影響──包括考慮到由於製造過程可能產生的任何不規則情況。模擬使工程師能夠檢視他們的系統是否能通過品質控制、達到預期的性能目標，並確定產品是否能夠大規模生產。

Ansys 擁有廣泛的模擬工具，用於建模所有自由曲面光學的可能情況。Ansys 解決方案提供了一種穩健的光學元件設計方式，能夠考量物理產品的製造面向，以及在製造過程中可能存在的任何公差與敏感性。 

立即聯絡我們的技術團隊，了解 Ansys 軟體解決方案如何協助您開發自由曲面光學。

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