新方法减少了镜片自由变形时的不确定性工作

具有自由曲面的透镜和反射镜使设计者能够将光聚焦在比以往任何时候都更轻、更紧凑、更有效的光学器件中。

但到目前为止，如果在给定的镜像和镜片配置中，任何自由曲面都将是一个耗时且昂贵的试错过程。

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利用罗切斯特大学的自由曲面光学中心（CEFO）的高级研究工程师Aaron Bauer开发的一种新的分步方法，上图所示八种不同的设计用于三镜反射成像仪的排列，它们可以用自由曲面光学来校正。图片来源：罗切斯特大学。

如今不必再这样了。

在《自然通信Nature Communications》的一篇论文中，罗切斯特大学自由曲面光学中心（CEFO）的高级研究工程师Aaron Bauer（JooSmithCult）将理论和实践结合在一起，一步一步的方法消除了许多不确定性工作量。

“Aaron已经开发了一个自由曲面设计的过程，可以非常普遍的进行应用，”论文的共同作者，CEFO主任和光学工程教授Jannick Rolland说。“它真的很美，有时甚至像魔术一样。”

她相信这一发现将有助于加速自由曲面光学在工业上的应用。“人们不会再说‘哦，用自由曲面建造起来太贵了’，”她说。“因为现在你可以做一些可能只需花费之前的十分之一的费用。”

奠基

只要镜面和透镜被封装在望远镜、光谱仪和许多其他光学装置中，性能就被定义为这些元素能以最小的“像差”保持光束聚焦。

传统上，光学设计者依赖于旋转对称的光学表面，因为它们的设计和制造相对简单。

在过去的20年中，高速微铣削、计算机控制的透镜抛光和离子束刻蚀等技术的进步使得非对称自由曲面更为可行。

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自由曲面光学中心主任Jannick Rolland说，一种新的设计方法将加速自由曲面光学的发展，因为现在你可以制造出一种可能在原来需要花费十倍的成本才能制造的设备。

早在2014年的一篇论文中，Rolland Lab的前成员凯尔•福尔施巴赫奠定了自由像差理论的理论框架。

“但我们仍然没有一个系统的过程来设计这个理论，” Rolland说。

两个两个地放在一起

与此同时，Bauer和Fuerschbach一起工作，设计了一个使用自由曲面的头戴式显示器。

Bauer说：“我注意到，有很多常见的畸变模式不断涌现，限制了我的系统进一步发展。”此外，“这些像差模式与凯尔预言将被自由曲面校正的模式相匹配。所以，我把两个和两个放在一起。”

他提出的方法从设计的初始“折叠几何”（镜面和透镜的对准）开始，然后，基于对该对准产生的各种像差的分析，预测：

自由曲面是否可以最小化这些像差，如果是这样的话，就可以进一步研究哪些自由曲面应用于最大效果。

Bauer指出：“自由曲面不是校正每个像差的通用解决方案。因此，我们的方法是让设计者提前分析所有这些几何结构，以便预测是否有一个好的解决方案。”

这比“蛮力”的方法好得多，Rolland说：“人们试着尝试各种自由曲面的设计。”即使它最终工作了，你也会最终得到一个系统，在这个系统中，表面的离开要比其他物体大得多，因为所有这些自由曲面都可能互相争斗。如果它不起作用，设计师就无从谈起。”

通过使用Bauer的方法，她说：“你将能够设计出更简单的东西，这将更容易制造和测试。此外，该方法将快速而明确地提供为什么一个给定的几何形状可能本质上是有限的，这对于设计师来说是至关重要的。”

原文来源：https://phys.org/news/2018-05-method-guesswork-lenses-freeform.html（实验帮译）

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