自由曲面光学镜片-未来的系统

没有旋转对称性的自由曲面光学镜片透镜能够实现全新的光学系统概念。使用自由曲面光学镜片可以减少光学系统中的元件数量，从而使系统更小、更轻和更高效。自由曲面光学镜片的光学设计和生产需要很高精密度和制造技术。

自由曲面的规范

自由曲面光学镜片是折射和反射表面，与球面和非球面几何形状有很大不同。自由曲面光学镜片的制造始于表面的定义。除了清晰的光学描述外，生产还需要方程、点云或3D模型。

自由曲面光学镜片的一种可能形式是偏心使用实际上旋转对称的透镜，从而适应离轴范围。切除了光学相关部分（参见图1），也是为了节省系统空间。就生产而言，对称透镜因此更便宜且更容易制造。关于光学设计，由于所达到的光学效果，其表面已经是自由曲面。然而，此类偏心透镜的副作用是倾斜入射光的像差增加，最终导致图像质量快速下降。“真实”自由曲面的最大优势是，由于其特殊几何形状和高自由度，它们能够实现非常好的成像质量。然而，与传统的对称透镜相比，光学设计和制造工艺的要求更加复杂和苛刻。

不同透镜形状从球面镜到自由曲面光学镜片的演变 — 图1：不同透镜形状从球面到自由曲面的演变（复杂性从左到右增加）

自由曲面光学镜片的优势和挑战

基于其特殊的面形，自由曲面光学镜片可以提供传统光学器件无法实现的功能。特别是在需要折叠光路的光学系统中，例如单片，自由曲面光学镜片透镜非常有利，并且可以代替在库的更大装置，例如镜片系统。为了说明这一点，下图显示了由三个非球面和一个模拟光路折叠的自由曲面组成的单片系统的光学设计。所示单片是在研发平台fo+内创建的。

与球面镜和非球面镜相比，使用自由曲面可以改善视场（FOV）和数值孔径（NA）以及尺寸和重量（参见图3）。然而，高质量的自由曲面光学镜片是光学系统持续高质量的绝对先决条件。

图3：球面镜、非球面镜和自由曲面光学镜片在视场（FOV）、数值孔径（NA）和尺寸方面的比较。

自由曲面光学镜片的优势主要有

其紧凑的形状，
光学系统的尺寸潜在减小，以及
新光学功能的实现。

由于其光学形状/表面很少或没有对称性，自由曲面光学镜片具有许多自由度。它们的制造类似于高度复杂的非球面镜。面形和倾斜度的局部变化会影响几何形状、制造工艺和测量的复杂性。借助现代制造和测量设备，非球面还可以生产非常规的自由曲面和系统。此外，我们还提供光学设计咨询、光学镀膜、嵌入和无CGH测量（完整组件，包括所有位置公差）。

asphericon制造的自由曲面光学镜片

发现asphericon的创新技术可以实现自由曲面光学镜片和系统的优势。

所有材料的非常规形状（也包括陶瓷）
直径达300mm的透镜、镜片、单片元件
多焦点紧凑型系统
出色的表面质量（至少达到RMSi 50nm）
无CGH测量，包括所有位置公差（完整组件）
个性化镀膜和嵌入概念
生产优化系统设计的光学设计咨询

增长核心fo+

自2014年以来，我们一直与区域合作伙伴、公司和研究机构合作开展“Freefrom Optics Plus（fo+）”研究项目，致力于创新自由曲面光学镜片系统的开发。迄今为止，这一合作的亮点是2018年获得由Stifterverband der Deutschen Wissenschaft授予的“集团研究”科学奖，以表彰制造自由曲面的创新方法。

关于在asphericon生产自由曲面光学镜片的详细信息，可在以下Photonics West 2020期间拍摄的fo+视频中看到。

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Alvarez系统

还可以发现我们基于Alvarez透镜的自由曲面系统。此系统因其紧凑的自由曲面光学镜片设计而特别令人信服。由于面形，可以无限改变光学功能。例如系统焦距的动态变化、激光束发散的补偿以及方形平顶轮廓的创建。我们很高兴回答您关于身体接触Alvarez透镜的问题。

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个性化要求

比较

	标准质量	精密质量	金刚石车削
直径	8 – 300 mm	4 – 300 mm	1 至 150 mm
直径公差	± 0.1 mm	± 0.01 mm
中心厚度	2 至 60 mm	2 至 60 mm	≥ 0,5 mm
中心厚度公差	± 0.1 mm	± 0.05 mm
RMS不规则性（RMSi）	0.75 – 0.3 µm	0.09 µm	0.1 µm
表面粗糙度	2.0 – 3.0 nm	1.5 – 2.0 nm	最大1nm
全表面干涉仪测量	可选	可选	可选
镀膜	客户特定	客户特定	客户特定
材料	特定客户（包括陶瓷）	特定客户（包括陶瓷）	特定客户（包括陶瓷）
嵌入	客户特定	客户特定	客户特定
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