自由曲面光学的应用和特点

自由曲面光学，在几何方面上可以定义为表面没有围绕光轴旋转对称或平移的光学器件。自由曲面光学是折射和反射表面，与球面和非球面几何形状有很大不同。自由曲面光学制造始于定义表面，在数学表征上要求高且复杂。自由曲面光学的数学描述有多种可能性。非球面根据ISO 10110使用Zernike-Fringe多项式计算，其中表面轮廓在数学的表征上描述为：

其中c是曲率半径的倒数，k是圆锥常数，Zi是标准Zernike多项式，Ai是Zernike系数，r是表面的径向坐标，ρ(rho)归一化径向和φ(phi)角坐标。自由曲面与球面或非球面相比，自由曲面具有更多的自由度。因为自由曲面光学打破了对称性，光学系统的设计有了更多的可能性，使得光学元件的几何形状更加复杂，并且需要使用参考结构进行定向。

图1展示了球面、非球面和自由曲面在视场(FOV)、数值孔径(NA)和小型化方面的比较，自由曲面光学可以对这三个参数进行自由改进。

图1.球面、非球面和自由曲面在视场(FOV)、数值孔径(NA)和小型化方面的比较

由于自由曲面光学具有特殊的表面形状，它们还可以实现传统光学器件无法实现的功能。特别是对于小型光学组件，例如整体式组件。这在折叠光束路径时较为有利，并且可以替代现有的装置，例如反射镜系统。如图2，模拟的光束路径折叠，单片自由曲面光学器件的另一个优势是节省了安装和对准的时间。

图2.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

自由曲面光学的应用潜力已经被各个行业发现和探索。在汽车行业驾驶员辅助系统中，为了改进这些辅助系统，越来越多的传感器系统被安装在车辆中以增强驾驶员的驾驶体验。为了构建复杂的光学系统，每个单独的光学元件占用尽可能少的安装空间是较为重要的。自由曲面光学在较新的汽车模型中，可以在实现更多的自由形式，例如在平视显示器中，自由曲面光学也用于成像/显示行业，例如投影系统。自由曲面光学器件可用于需要折叠光束路径、聚焦倾斜入射光和或系统小型化的地方。光学系统质量和体积的减少与尽可能大的视场相结合，使得自由曲面光学的应用中具有更大的挑战和广泛性，例如在航空航天工业领域。此外，它还可用于安全应用领域，例如用于消防员头盔的摄像系统，在热成像中使用自由曲面光学。通过红外摄像机结合AR眼镜，可以立即看到热图像，在建筑物的废墟中寻找被困人员，这将取代传统手持式红外摄像机。自由曲面光学具有较多的几何自由度，因此在参数上对设计和生产有很多的要求。由于其特殊性质，自由曲面光学需要考虑更紧凑的设计，光学系统的小型化，表现好的光学性能等。由于光学领域有许多可能的应用和新市场的开放，自由曲面光学将在未来发挥越来越重要的作用。