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深圳海納光學有限公司
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Asphericon在自由曲面光學的應用與特點一覽
2022-2-23 閱讀(545)
圖1展示了球面、非球面和自由曲面在視場(FOV)、數(shù)值孔徑(NA)和小型化方面的比較，自由曲面光學可以對這三個參數(shù)進行自由改進。
圖1 球面、非球面和自由曲面在視場(FOV)、數(shù)值孔徑(NA)和小型化方面的比較
由于自由曲面光學具有特殊的表面形狀，它們還可以實現(xiàn)傳統(tǒng)光學器件無法實現(xiàn)的功能。特別是對于小型光學組件，例如整體式組件。這在折疊光束路徑時較為有利，并且可以替代現(xiàn)有的裝置，例如反射鏡系統(tǒng)。如圖2，模擬的光束路徑折疊，單片自由曲面光學器件的另一個優(yōu)勢是節(jié)省了安裝和對準的時間。
圖2 由三個非球面和一個自由曲面組成的單片系統(tǒng)的光學設計
自由曲面光學的應用潛力已經(jīng)被各個行業(yè)發(fā)現(xiàn)和探索。Asphericon一直與區(qū)域合作伙伴、公司和研究機構一起開展研究項目“Freefrom Optics Plus (fo+)”研究Asphericon自由曲面項目，旨在開發(fā)創(chuàng)新的Asphericon自由曲面光學器件系統(tǒng)。在汽車行業(yè)駕駛員輔助系統(tǒng)中，為了改進這些輔助系統(tǒng)，越來越多的傳感器系統(tǒng)被安裝在車輛中以增強駕駛員的駕駛體驗。為了構建復雜的光學系統(tǒng)，每個單獨的光學元件占用盡可能少的安裝空間是較為重要的。自由曲面光學在較新的汽車模型中，可以在實現(xiàn)更多的自由形式，例如在平視顯示器中，自由曲面光學也用于成像/顯示行業(yè)，例如投影系統(tǒng)。
自由曲面光學器件可用于需要折疊光束路徑、聚焦傾斜入射光和或系統(tǒng)小型化的地方。光學系統(tǒng)質(zhì)量和體積的減少與盡可能大的視場相結合，使得自由曲面光學的應用中具有更大的挑戰(zhàn)和廣泛性，例如在航空航天工業(yè)領域。此外，它還可用于安全應用領域，例如用于消防員頭盔的攝像系統(tǒng)，在熱成像中使用自由曲面光學。通過紅外攝像機結合AR眼鏡，可以立即看到熱圖像，在建筑物的廢墟中尋找被困人員，這將取代傳統(tǒng)手持式紅外攝像機。
自由曲面光學具有較多的幾何自由度，因此在參數(shù)上對設計和生產(chǎn)有很多的要求。由于其特殊性質(zhì)，自由曲面光學需要考慮更緊湊的設計，光學系統(tǒng)的小型化，表現(xiàn)好的光學性能等。由于光學領域有許多可能的應用和新市場的開放，自由曲面光學將在未來發(fā)揮越來越重要的作用。
自由曲面光學，在幾何方面上可以定義為表面沒有圍繞光軸旋轉對稱或平移的光學器件。自由曲面光學是折射和反射表面，與球面和非球面幾何形狀有很大不同。自由曲面光學制造始于定義表面，在數(shù)學表征上要求高且復雜。自由曲面光學的數(shù)學描述有多種可能性。非球面根據(jù)ISO 10110使用Zernike-Fringe多項式計算，其中表面輪廓在數(shù)學的表征上描述為：
其中c是曲率半徑的倒數(shù)，k是圓錐常數(shù)，Zi是標準Zernike多項式，Ai是Zernike系數(shù)，r是表面的徑向坐標，ρ(rho)歸一化徑向和φ(phi)角坐標。
自由曲面與球面或非球面相比，自由曲面具有更多的自由度。因為自由曲面光學打破了對稱性，光學系統(tǒng)的設計有了更多的可能性，使得光學元件的幾何形狀更加復雜，并且需要使用參考結構進行定向。得益于現(xiàn)代化的制造和測量設備，Asphericon非球面還可以生產(chǎn)非常規(guī)的Asphericon自由曲面和系統(tǒng)，使得在自由曲面光學的應用中實現(xiàn)更多的可能。通過非球面的創(chuàng)新技術，Asphericon在自由曲面光學的應用上有以下一些優(yōu)勢：材料（包括陶瓷）中的常規(guī)形狀；透鏡、反射鏡、直徑達300毫米的單片元件；多焦點、緊湊型系統(tǒng)；出色的表面質(zhì)量（至少達到RMSi50nm）；無CGH測量；單獨的涂層和安裝；針對生產(chǎn)而優(yōu)化的光學系統(tǒng)設計。
