自由曲面光学
性能、小巧、轻便
自由曲面光学的专家
没有旋转对称性的自由形式光学透镜为光学系统提供了全新的概念。自由式光学允许更少的元件用于光学系统，使其更小、更轻、更高效。从设计、打样到批量生产，艾斯飞睿提供最高精度标准的自由曲面光学元件。
了解由艾斯飞睿的创新技术制造的自由曲面光学和系统。
- 各种材料的非常规形状（包括陶瓷和红外材料）
- 直径不超过300mm的透镜、镜子和单片元件
- 多焦、紧凑系统
- 卓越的表面质量 (RMSi > 50 nm)
- 无CGH测量 包括所有位置公差（完整部件）
- 个性化镀膜 和组装概念
- 光学设计 生产优化系统设计咨询
图1：使用研磨和抛光由艾斯飞睿制成的自由曲面光学器件的示例测量。该图显示了两次校正抛光后的波前图以及相关的测量表面和零件公差（性能目标：RMS WFE<35 mλ）。
规格
| 标准质量 | 高精度 | 金刚石车削 | ||
|---|---|---|---|---|
| 直径 | 8 – 300 mm | 4 – 300 mm | 1 - 150 mm | |
| 直径公差 | ± 0,1 mm | ± 0,01 mm | ||
| 中心厚度 | 2 - 60 mm | 2 - 60 mm | ab 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 | bis zu 1 nm | |
| 全表面干涉测量 | optional | optional | optional | |
| 镀膜 | customer-specific | customer-specific | customer-specific | |
| 材料 | customer-specific (including ceramics) | customer-specific (including ceramics) | customer-specific (including ceramics) | |
| 安装 | customer-specific | customer-specific | customer-specific |
从了解到批量生产
多年来，艾斯飞睿一直致力于自由曲面的（批量）生产。与该地区强大的合作伙伴一起，在“freeform Optics Plus（ƒo+）”区域增长核心内，创新自由形式光学系统的开发和营销取得了决定性进展。2018年，这个国际知名的项目获得了德国科学与人文促进捐助者协会颁发的合作研究科学奖，以表彰其制作免费表格的开创性方法。
近年来，艾斯飞睿在几个项目中引入了新的制造策略和磨练了测量概念，积累了自由曲面光学和系统方面的丰富专业知识。
在2022年慕尼黑光博会上，艾斯飞睿推出了一种基于自由曲面光学的反射光束整形器。这种自由曲面整形器补偿了不对称性，将体积减少了一半。 新型光束整形器使激光器成为一种灵活的工具，可适用于高达10kW的高激光功率和宽波长范围。
Alvarez系统
还可以了解我们基于Alvarez透镜的自由曲面系统。这种系统由于其紧凑的自由形式光学设计而令人印象深刻。由于表面形状，可以无限地改变光学函数。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光束的创建。如果您有关于Alvarez隐形眼镜的问题，请随时联系我们。
图2：通过使用Avarez透镜，系统焦距的动态变化。
自由曲面规范
自由曲面光学是折射和反射表面，与球面和非球面几何结构有很大不同。 自由曲面光学器件的制造始于表面的定义。除了光学的清晰描述外，生产还需要方程、点云或3D模型。
一种可能的自由形式光学是实际旋转对称透镜的偏心使用，从而适应离轴范围。光学相关部分被切除（见图3），也是为了节省系统中的空间。就生产而言，对称透镜因此更便宜、更容易制造。关于光学设计，由于所实现的光学效果，其表面已经是自由曲面。然而，这种偏心透镜的副作用是倾斜入射光的像差增加，这最终导致图像质量的快速降低。“真实”自由形式的最大优点是，由于其特殊的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，对光学设计和制造工艺的要求要复杂和苛刻得多。
图3：从球面到自由曲面的不同透镜形状的演变（从左到右复杂性增加）
自由曲面光学的优势和挑战
基于其特殊的表面形状，自由曲面光学元件可以提供经典光学元件无法实现的功能。特别是在需要光束路径折叠的光学系统中，例如单片，自由形式的光学透镜是非常有利的，并且可以取代现有的更大的布置，例如反射镜系统。为了说明这一点，下图显示了由三个非球面和一个自由曲面组成的单片系统的光学设计，该系统具有模拟的光束路径折叠。所示的单片自由曲面镜是在fo+的研发平台中创建的。
图4：单片系统的光学设计。
与球面和非球面镜相比，使用自由曲面的面形可以实现视场（FOV）和数值孔径（NA）以及尺寸和重量的改进（见图5）。然而，高质量的自由曲面光学是光学系统恒定高质量的绝对前提。
图5：球面、非球面和自由曲面光学在视场（FOV）、数值孔径（NA）和尺寸方面的比较。
自由曲面光学的优点主要有
- 它们的紧凑形状，
- 光学系统尺寸的潜在减小，以及
- 实现新的光学功能。
由于其光学形状/表面很少或没有对称性，自由曲面光学具有许多自由度。它们的制造与高度复杂的非球面镜相似，表面形状和局部倾斜变化会影响几何形状、制造过程和测量的复杂性。得益于现代化的制造和测量设备，艾斯飞睿还生产非传统的自由曲面镜和光学系统。此外，我们还提供光学设计咨询、光学镀膜、安装和无CGH测量（完整组件，包括所有位置公差）。
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