常见光学自由曲面
自由曲面光学技术概述
3
1、经典研抛法
铣磨成型
即经过铣磨，将毛坯加工成需要的形状。 该形状需要提前做一计算，得到 最 大 去 除量形状，从而减轻后续过程任务量， 程任务量。该过程需要用到铣磨机，属 于下面要提到的粗磨的铣削加工，又称 范成法加工。
研磨
即用研磨剂，研磨光学元件表面以减少 成形过程中产产生的下表面损伤。这一 过程根据添加研磨剂尺寸不同，分为粗 磨 和 精 磨 。 精磨过程中还需要使用冷却 液，起到冷却、润滑、清洗和化学反应 等作用。精磨后的光学元件由于有凹凸 层的存在而形成不透明的表面，这也是 抛光的必要性所在。
优缺点
传统的轨迹成形法加工自由曲面，共同的特点是加工效率高，但一般难于加工高精度的自 由曲面，其根本原因在于加工所依据的轨迹的准确性差，轨迹转移精度不高，而且模具或 机构等的轨迹单一，只能加工一种尺寸一种形状的非球面，且可加工的材质有限，通用性 差， 通常只用于中低精度非球面零件的批量生产。 由于该方法已经比较成熟，并且很传统，目前，国外对这方面研究的报道很少。国内主要 是中科院长春光机所和长春理工大学在做这方面的研究工作。
1972年
发展历程 1980年
摩尔公司首先开发出了用3个坐标控制的 M―18AG非球面加工机床，这种机床可加工 直径356mm的各种非球面的金属反射镜。 英国RankPneumo公司向市场推出了利用激 光反馈控制的两轴联动加工机床，该机床可 加工直径为350mm的非球面金属反射镜，加 工工件形状精度达0.25-0.5μ m，表面粗糙度 Ra在0.01-O.025μ m之间。随后又推出了 ASG2500、ASG2500T、Nanoform300等 机床
3、CNC磨削、研磨和抛光技术
优缺点
其加工过程大致可以概述为计算机控制的精密机床先将工 件表面磨削成一个最接近自由曲面的球面，在不改变工件 面形精度的前提下，通过研磨加工去除偏离量，最后通过 抛光的方法达到曲面的表面质量要求， 左 图即为CNC磨削、 研磨和抛光流程图。此加工过程的特点是阶段多、周期长， 起始球面的选择对偏离量及工艺的制定起着决定性作用； 适合加工高精度、大及超大口径的光学元件；对碳化钨、 光学玻璃等脆硬材料有明显的优势。 不过，这种方法也有很多不足之处，如果要加工不同的自 由曲面零件，由于工件表面的光洁度和成形精度都需要通 过磨削、研磨和抛光来改善，就需要大量的研磨盘，提高 了成本，同时也增加了维护的难度；还有就是抛光过程中 不可避免的会产生一些形状误差，自由曲面的不对称度越 大，误差也就越大。
自由曲面光学系统制造关键技术及产业化应用
自由曲面光学系统制造关键技术及产业化应用随着科技的发展和社会的进步，光学系统的应用领域越来越广泛，其在航天航空、医疗仪器、激光加工等领域发挥着重要作用。
其中，自由曲面光学系统作为一种新型光学元件，具有曲面设计自由度高、光学性能优越等特点，因而备受关注。
本文将从自由曲面光学系统制造的关键技术和产业化应用方面展开探讨，旨在探究该领域的发展现状和未来趋势。
一、自由曲面光学系统制造的关键技术自由曲面光学系统的制造需要掌握一系列关键技术，包括曲面设计、材料选择、加工工艺以及表面质量控制等方面。
具体而言，其关键技术主要包括以下几个方面：1. 曲面设计技术自由曲面光学系统的曲面设计是制造工艺的第一步，也是最为关键的一步。
曲面设计需要结合光学系统的使用要求和材料特性进行综合考虑，通过数学建模和仿真分析，确定最佳的曲面形状和参数，以实现光学系统的预期光学性能。
2. 材料选择技术自由曲面光学系统的材料选择对其光学性能和耐用性有着至关重要的影响。
目前常用的材料包括光学玻璃、高分子材料、晶体材料等，各种材料具有不同的特性和加工工艺要求，因此需要根据实际应用需求和制造条件进行合理选择。
3. 加工工艺技术自由曲面光学系统的加工工艺包括精密磨削、抛光、镀膜等多个环节，其中精密磨削是最为关键的一步。
精密磨削需要保证曲面形状的精度和表面质量的一致性，同时避免因加工过程引入的应力和损伤对光学性能的影响。
4. 表面质量控制技术自由曲面光学系统的表面质量对其光学性能有着决定性的影响。
在制造过程中需要引入表面质量检测和控制技术，包括表面形貌检测、缺陷检测、表面粗糙度控制等，以确保光学系统的表面质量符合设计要求。
二、自由曲面光学系统产业化应用自由曲面光学系统作为一种新型光学元件，在航天航空、医疗仪器、激光加工等领域具有广阔的应用前景。
其产业化应用不仅需要充分发挥其优越的光学性能，还需要解决相关制造技术和产业链配套的问题。
具体而言，其产业化应用主要包括以下几个方面：1. 航天航空领域在航天航空领域，自由曲面光学系统被广泛应用于卫星遥感、光学通信等领域。
离轴自由曲面
离轴自由曲面是指具有复杂多变的面形变量的曲面，与传统的球面、二次曲面和偶次非球面等面形相比，离轴自由曲面具有非旋转对称特性。
在光学领域中，离轴自由曲面能够为光学系统提供足够的设计自由度，尤其是在离轴光学系统中可以实现许多以前无法达到的指标，如增大光学视场和矫正系统像差等。
离轴自由曲面的设计和制造需要高精度技术和复杂的数学模型，以实现所需的形状精度和表面粗糙度。
在制造过程中，通常需要使用高精度的加工设备和检测设备，以确保曲面的质量和光学性能。
离轴自由曲面在许多领域都有应用，如光学镜头、照明系统、显示面板、反射镜等。
它们在摄影镜头、投影仪、电视、监视器、显示器等领域中都有广泛的应用。
此外，离轴自由曲面还可以用于制造具有特殊光学性能的设备，如非球面透镜、反射式望远镜等。
总之，离轴自由曲面是一种具有广泛应用前景的新型光学元件，其设计和制造需要高精度技术和复杂的数学模型。
随着技术的不断进步和应用需求的不断增加，离轴自由曲面的制造和应用将会得到更广泛的发展和应用。
大视场光学自由曲面f-theta透镜设计
---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------ 大视场光学自由曲面f-theta透镜设计摘要光学自由曲面是指没有旋转对称的光学面，一般无法由方程来描述，因此在设计中是个难点，而因为它优秀的特性，又成为了现今光学设计的热点。
F-theta透镜是一种特殊的透镜组，由于它像高与角度的高度线性关系，经常被应用于扫描等场合。
利用自由曲面进行F-theta透镜的设计可以提高镜头的使用性能。
本文以此为基础，利用Zernike多项式在Zemax 中对自由曲面进行定义，从多个途径出发尝试设计大视场F-theta透镜。
针对工作波长1064nm视场60°的系统要求，对四种常用结构设计进行了讨论，得到了相关经验数据以及比较结果。
此项研究适应光学设计的发展趋势，对现代光学工程的发展具有较大实验价值和理论价值。
12661关键词光学自由曲面F-theta 光学设计Zernike多项式1 / 11毕业设计说明书（论文）外文摘要TitleDesign of large field f-theta lens with free-form surfaceAbstractOptical Free-form Surface generally refers to the optical surface without rotating axis of symmetry,that is cannot described by equation. But because its good features, it also becomes the hot spot of current optical designs . F-theta lens is a special kind of lens groups. Because of its image-high and angle have a perfect linearity,f-theta lens is often used in scanning and so on. In the system with 1064nm wavelength and 60°view angle,using free-form surface design can improve the performance of the F-theta lens. Based on this, use Zernike polynomial to define free surface in Zemax. Starting from multiple way trying to design big view F-theta lens. Discussing four different structures,to get some experience datas, and the comparison of the results. The study provides the advantageous condition for the development of modern---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------ optical engineering.KeywordsFree-form Surface, F-theta lens,optical design, Zernike polynomials在像质要求较高、视场较大的场合中，我们也可以使用非球面光组在系统中校正像差、改善成像质量和简化结构。
光学自由曲面面形检测技术
１ ㊀引㊀言
㊀㊀光学自由曲面元件其表面自由度较大， 可以 针对性地提供或矫正不同的轴上或轴外像差， 同 时满足现代光学系统高性能、 轻量化和微型化的 要求， 逐渐成为现代光学研究领域和工业及商业 领域的新宠。广义的光学自由曲面包括回转对称 非球面和非回转对称非球面， 狭义的光学自由曲 面仅指非旋转对称非球面， 其口径内各处曲率半 径各不相同， 很难在全口径内使用统一的数学方 程描述
（ １ ． Ｋ ｅ ｙＬ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｙｏ ｆ Ｏ ｐ ｔ ｏ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎＡ ｃ ｑ ｕ ｉ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎａ ｎ ｄＭ ａ ｎ ｉ ｐ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｍ ｉ ｎ ｉ ｓ ｔ ｒ ｙｏ ｆ Ｅ ｄ ｕ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ， Ａ ｎ ｈ ｕ ｉ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ， Ｈ ｅ ｆ ｅ ｉ ２ ３ ０ ６ ０ １ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ； ２ ． Ｓ ｔ ａ ｔ ｅ Ｋ ｅ ｙＬ ａ ｂｏ ｆ Ｍ ｏ ｄ ｅ ｒ ｎＯ ｐ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ， Ｚ ｈ ｅ ｊ ｉ ａ ｎ ｇＵ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ， Ｈ ａ ｎ ｇ ｚ ｈ ｏ ｕ３ １ ０ ０ ２ ７ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ） ｏ ｒ ｒ ｅ ｓ ｐ ｏ ｎ ｄ ｉ ｎ ｇａ ｕ ｔ ｈ ｏ ｒ ，Ｅ ｍ ａ ｉ ｌ ： ｏ ｐ ｔ ｚ ｌ ＠ａ ｈ ｕ ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｎ Ｃ Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｗｉ ｔ ｈｇ ｒ ｅ ａ ｔ ｄ ｅ ｇ ｒ ｅ ｅ ｓ ｏ ｆ ｆ ｒ ｅ ｅ ｄ ｏ ｍ ，ｏ ｐ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｆ ｒ ｅ ｅ ｆ ｏ ｒ ｍｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ｓ ｗ ｏ ｕ ｌ ｄｐ ｒ ｏ ｖ ｉ ｄ ｅ ｔ ｈ ｅ ａ ｘ ｉ ａ ｌ ａ ｂ ｅ ｒ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ａ ｎ ｄｏ ｆ ｆ ａ ｘ ｉ ｓ ｏ ｎ ｅ ｓ ．Ｍ ｅ ａ ｎ ｗ ｈ ｉ ｌ ｅ ，ｔ ｈ ｅ ｙｍ ｅ ｅ ｔ ｒ ｅ ｑ ｕ ｉ ｒ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｓｏ ｆ ｍ ｏ ｄ ｅ ｒ ｎｏ ｐ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｓｉ ｎｈ ｉ ｇ ｈ ｐ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｎ ｃ ｅ ，ｌ ｉ ｇ ｈ ｔ ｗ ｅ ｉ ｇ ｈ ｔ ａ ｎ ｄｍ ｉ ｃ ｒ ｏ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ，ａ ｎ ｄｇ ｒ ａ ｄ ｕ ａ ｌ ｌ ｙ ｂ ｅ ｃ ｏ ｍ ｅ ｓ ｔ ｈ ｅ ｈ ｏ ｔ ｔ ｏ ｐ ｉ ｃ ｉ ｎｍ ｏ ｄ ｅ ｒ ｎｏ ｐ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ．Ｈ ｏ ｗ ｅ ｖ ｅ ｒ ，ｔ ｈ ｅ ｉ ｒ ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｈ ａ ｖ ｅｂ ｅ ｅ ｎｌ ｉ ｍ ｉ ｔ ｅ ｄｂ ｙｔ ｅ ｓ ｔ ｉ ｎ ｇｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙｏ ｆ ｏ ｐ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｆ ｒ ｅ ｅ ｆ ｏ ｒ ｍｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ．Ｍ ｏ ｓ ｔ ｔ ｅ ｓ ｔ ｉ ｎ ｇ ｍ ｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｓ ａ ｒ ｅ ｓ ｔ ｉ ｌ ｌ ｆ ｏ ｌ ｌ ｏ ｗ
自由曲面镜片研究意义和价值
自由曲面镜片研究意义和价值自由曲面镜片是一种特殊的光学元件，它的形状可以自由地设计和制造，可以根据特定需求定制各种光学曲面，具有广泛的研究意义和应用价值。
首先，自由曲面镜片作为光学元件，具有高度的灵活性和可定制性。
传统的光学元件如球面镜片和棱镜具有固定的形状和功能，限制了其在某些特殊光学系统中的应用。
而自由曲面镜片可以根据实际需求进行设计和制造，能够适应不同的实验和应用场景。
例如，在光学仪器和设备中，自由曲面镜片可以用于调整光路、矫正像差、改变光束的形状和方向等，满足实验和测量的需求。
其次，自由曲面镜片在光学设计和优化方面具有重要意义。
光学设计是一门复杂而关键的学科，它的目标是通过合理的光学元件配置来达到特定的光学性能。
在这个过程中，自由曲面镜片可以作为一种重要的设计自由度，帮助光学工程师实现对光学系统设计的灵活控制。
通过优化自由曲面镜片的形状和参数，可以提高光学系统的分辨率、波前畸变校正和光学能量传输效率等，从而提高设备的整体性能。
此外，自由曲面镜片还具有一定的探索性研究意义。
对于一些光学系统而言，传统的球面镜片和棱镜可能无法满足光学性能要求，需要开展新的设计方法和技术手段。
自由曲面镜片作为一种创新的光学元件，为光学研究人员提供了新的思路和工具。
通过研究自由曲面镜片的制备工艺、形状优化算法和光学性能评估方法等，可以推动光学技术的进步和发展，并拓展在光学成像、激光加工、光通信等领域的应用。
最后，自由曲面镜片在实际应用中具有较高的经济价值。
随着科技的不断进步和工业生产的需求，对于光学系统性能的要求越来越高。
自由曲面镜片的灵活性和可定制性使其成为满足个性化需求的理想选项。
例如，在光学检测和精密加工领域，自由曲面镜片的应用可以提高设备的精确度和稳定性，同时降低制造成本和能源消耗。
因此，自由曲面镜片的研究和应用对于促进科技进步和工业发展具有重要的指导意义。
综上所述，自由曲面镜片具有广泛的研究意义和应用价值。
自由曲面在离轴反射光学系统中的应用
自由曲面光学元件的应用可以提高离 轴反射光学系统的性能和稳定性，为 实际应用提供更好的解决方案。
对于推动我国光学技术的发展和提升 我国在光学领域的国际竞争力具有重 要意义。
感谢您的观看
THANKS
激光武器系统
离轴反射光学系统可以应用于激光武器系统 中，实现激光光束的高精度控制和瞄准。
航空航天领域
离轴反射光学系统可以应用于航空航天领域中，实 现航空器、卫星等的高精度导航和控制。
无人驾驶领域
离轴反射光学系统可以应用于无人驾驶领域 中，实现车辆的自动驾驶和精确导航。
03
自由曲面在离轴反射光学 系统中的应用
2
自由曲面光学元件的制造和检测技术不断发展 ，使得其在离轴反射光学系统中的应用越来越 广泛。
3
自由曲面光学元件在离轴反射光学系统中的应 用具有较高的学术价值和实用性，对于推动光 学技术发展具有重要意义。
研究不足与展望
01
自由曲面光学元件的制造和检 测技术仍存在一定的挑战，需 要进一步研究和改进。
02
自由曲面在离轴反射光学系 统中的应用
2023-11-06
目录
• 引言 • 离轴反射光学系统基础 • 自由曲面在离轴反射光学系统中的应用 • 自由曲面离轴反射光学系统的实验研究 • 结论与展望
01
引言
研究背景与意义
背景
随着光学技术的不断发展，对光学系统的性能要求也越来越高，尤其是离轴反射光学系统。
自由曲面在系统制造中的应用
降低制造难度
相对于传统光学表面加工方法 ，自由曲面的制造难度较低， 因为它们不需要精确的球面或
柱面形状。
提高生产效率
自由曲面的制造可以使用大规模 生产方法，提高生产效率并降低 成本。
自由曲面光学技术..
目前
待续
面型加工技术
美国的Precitech公司，仍无自己的自由曲面刀 具轨迹自动生成、预报及优化软件，虽然 Moore公司目前开发了自由曲面刀具轨迹生成 软件，仍未有配套的加工过程和策略优化模型 及相应的面形测量软件，并且其软件局限于该 公司自己生产的机床，不具通用性。英国 Zeeko公司开发了自由曲面刀具轨迹生成软件， 只适用于抛光机，其切削机理及表面生成过程 完全不同于切削加工，不可应用于自由曲面的 飞刀铣削过程。
代表当今员高水平的超精密金刚石车床是美 国劳伦斯.利弗莫尔(LLNL)实验室研制成功的 LODTM，它可加工直径达2100mm，重达 4500kg的工件其加工精度可达0.25μ m，表 面粗糙度RaO.0076μ m，该机床可加工平面、 球面及非球面，主要用于加工激光核聚变工 程所需的零件、红外线装置用的零件和大型 天体反射镜等。
1984年
发展历程 1990年
英国RankPneumo公司开发出 Nanoform600，该机床能加工直径为 600mm的非球面反射镜，加工工件的形状精 度优于0.1μ m，表面粗糙度优于0.01μ m。
英国Cranfield大学精密工程研究所(CUPE)研 制的大型超精密金刚石镜面切削机床，可以 加工大型X射线天体望远镜用的非球面反射镜 (最大直径可达1400mm，最大长度为 600mm的圆锥镜)。 日本制造的加工机床有：东芝机械研制的 ULG―l00A(H)不二越公司的ASP―L15、丰田 工机的AHN10、AHN30×25、AHN60―3D 非球面加工机床等。
加工技术发展历史
80年代以来，出现了许多种新的非球面 超精密加工技术，主要有：计算机数控单 点金刚石车削技术、计算机数控磨削技术、 计算机数控离子束成形技术、计算机数控 超精密抛光技术和非球面复印技术等，这 些加工方法，基本上解决了各种非球面镜 加工中所存在的问题。前四种方法运用了 数控技术，均具有加工精度较高，效率高 等特点，适于批量生产。
LED自由曲面透镜
LED自由曲面透镜LED已经成为当今最普遍的光源，因为LED具有体积小、响应快、节能环保等优点，被广泛应用在道路照明、汽车大灯和背光显示等领域，这些应用都要求LED具有较高的颜色均匀性，但由于LED是面光源，出光角度小，使得其颜色均匀性较差。
如现有的YAG（钇铝石榴石晶体）荧光粉涂覆LED，会存在边缘偏黄、中间偏蓝的现象，对LED颜色均匀性的改善效果较差。
目前现有的改善LED颜色均匀性的方法主要有以下两种：一、是改变荧光粉的涂覆模式，采用远离涂覆或者保形涂覆。
这种方法的原理是使LED发出的蓝光在荧光粉内经过相同的传播路程，使得各个角度激发的黄光一致，从而实现各个空间分布角度的颜色均匀性，但这种方法对封装工艺的要求性较高，从而导致成本较高。
二、是在LED 芯片上面加入微透镜阵列。
但这种光学结构不能对大角度光学线进行有效的控制，并且光线经过这种光学结构后，由于菲涅尔反射损失和光学表面的全内反射，使得这种光学结构的光效降低。
而现有的TIR 透镜（Total Internal Reflection，全内反射透镜）主要用于准直，因此限制了LED的发散角，并且现有的TIR透镜并不能改善荧光粉涂覆LED的颜色均匀性。
为了解决上述技术问题，得到具有高光效、较高颜色均匀性的LED，中环量子公司通过大量试验测试和技术改进设计了一种基于全内反射的LED自由曲面透镜。
这种基于全内反射的LED自由曲面透镜，由底部的入射面、两侧的全反射面和顶部的自由出射曲面构成，入射面由一个折射圆柱面和一个折射圆弧曲面构成，折射圆柱面和折射圆弧面构成内凹的入射腔体用于放置LED光源，自由出射曲面包括第一自由折射曲面和第二自由折射曲面，全反射面的上边沿与第一自由折射曲面的上边沿连接形成透镜外凸边沿，第一自由折射曲面的下边沿与第二自由折射曲面的边沿连接形成沟槽，全反射面与自由出射曲面构成透镜的外轮廓。
基于全内反射的LED自由曲面透镜与现有技术相比，具有成本低、易加工的优点，与传统的TIR透镜相比，具有更大的发散角、能够实现较高的光效和较好颜色均匀性。
自由曲面光学技术
目前
待续
面型加工技术
美国的Precitech公司，仍无自己的自由曲面刀 具轨迹自动生成、预报及优化软件，虽然 Moore公司目前开发了自由曲面刀具轨迹生成 软件，仍未有配套的加工过程和策略优化模型 及相应的面形测量软件，并且其软件局限于该 公司自己生产的机床，不具通用性。英国Zeeko 公司开发了自由曲面刀具轨迹生成软件，只适 用于抛光机，其切削机理及表面生成过程完全 不同于切削加工，不可应用于自由曲面的飞刀 铣削过程。
1972年
发展历程
1980年
代表当今员高水平的超精密金刚石车床是美 国劳伦斯.利弗莫尔(LLNL)实验室研制成功的 LODTM，它可加工直径达2100mm，重达 4500kg的工件其加工精度可达0.25μm，表面 粗糙度RaO.0076μm，该机床可加工平面、球 面及非球面，主要用于加工激光核聚变工程 所需的零件、红外线装置用的零件和大型天 体反射镜等。
加工技术发展历史
80年代以来，出现了许多种新的非球面 超精密加工技术，主要有：计算机数控单 点金刚石车削技术、计算机数控磨削技术、 计算机数控离子束成形技术、计算机数控 超精密抛光技术和非球面复印技术等，这 些加工方法，基本上解决了各种非球面镜 加工中所存在的问题。前四种方法运用了 数控技术，均具有加工精度较高，效率高 等特点，适于批量生产。
1
简介
精度
采用多轴超精密金刚石机床加工光学自由曲面 ,可达到亚微米级形状精度和纳米级表面粗糙 的高精度水平。
优点
在成像系统中，该技术可以矫正像差、提高成像质量、减小系统单元数量及重量；在高性 能照明系统设计中，该技术不仅可以有效提高光能利用率，更可消除系统对照明方向性的 严格要求，并且提供了很大的设计自由度。
自由曲面在空间光学的应用
自由曲面在空间光学中的应用在当今的生活中，自由曲面（Free-form）扮演着越来越重要的角色。
如汽车车身、飞机机翼和轮船船体的曲线和曲面都是自由曲面。
到底什么是自由曲面？简单来讲，在工业上我们认为就是不能用初等解析函数完全清楚的表达全部形状，需要构造新的函数来进行研究；在光学系统中，光学自由曲面没有严格确切的定义，通常是指无法用球面或者非球面系数来表示的光学曲面，主要是指非旋转对称的曲面或者只能用参数向量来表示的曲面。
在我们的日常生活中，打印机、复印机以及彩色CRT中都会用到光学自由曲面。
鉴于光学自由曲面在我们的生活中扮演着越来越重要的角色，所以，以下就自由曲面在空间光学方面的情况进行了调研。
一、自由曲面简介光学自由曲面没有严格确切的定义，通常指无法用球面或者非球面系数来表示的光学曲面，主要是指非旋转对称的曲面或者只能用参数向量来表示的曲面。
光学自由曲面已经渗透到我们生活中的各个角落，如能改善人类视觉质量的渐进多焦点眼镜，就是自由曲面技术在眼用光学镜片中的成功应用。
自由曲面光学镜片主要有两种：一是自然形成的曲面；二是人工形成的曲面。
人工形成的自由曲面又分为一次成型和加工成型两种形式。
二、自由曲面运用的原因空间遥感光学系统是在离地200km（低轨卫星）以上的轨道对地面目标或空间目标进行光学信息获取，具有遥感成像距离远的特点。
如何在几百公里遥感距离下获得较高分辨率的同时保证较宽的成像幅宽是推动空间遥感光学不断发展的源动力。
光学系统的入瞳直径是决定空间相机地面像元分辨率的主要因素之一，在一定F／＃的前提下，入瞳直径越大，空间相机地面像元分辨率越高。
但入瞳直径的增加，意味着所有与孔径相关的像差增加。
受空间环境中力学、热学、压力等因素的制约，当入瞳直径增大到一定程度（通常200mm以上），光学系统一般采用反射式或折反射式方案。
为了简化光学系统形式，仅采用球面镜是无法平衡由于入瞳直径增加而剧增的像差，然而通过运用自由曲面的应用，可以解决像差增大的问题。
自由曲面光学镜片的设计
自由曲面光学镜面的设计摘要光学自由曲面具有非对称面形、灵活的空间布局、丰富的设计自由度等特性。
自由曲面是应用最广泛的曲面形状之一，如能改善人类视觉质量的渐进多焦点眼用镜片，就是自由曲面技术在眼用光学镜片中的成功应用。
本文通过设计渐进多焦点眼用镜片，并以之为例研究自由曲面光学镜片的性质及特点。
渐进镜片(英文progressive addition lenses 简称PAL）是针对老视症状的一种有效的解决手段，与各类传统老视镜片相比较具有许多优点，本文对这种镜片的设计和评价进行研究。
首先，介绍渐变镜片的渐变结构特征和矫正原理，比较分析软设计和硬设计之间的区别。
其次，介绍渐进多焦点眼用镜片的基本结构。
应用基于狄利克雷原则的软设计方法，阐述渐进多焦点眼用镜片子午线设计的基本原理，构建子午线多项式，给出子午线设计需满足的条件。
在子午线设计的基础上，设计渐进多焦点眼用镜片等屈光度轮廓线，在此基础上设计镜片矢高，确定镜片面形。
然后，根据曲面的微分几何理论，给出渐变镜片的性能评价方法，即计算镜片的球面度及柱面度。
关键词渐进镜片；老视；软设计；子午线Design of free-form surface optical lensesAbstractFree-form lens has asymmetric surface shape, flexible space layout, extensive design freedom and other characteristics. Free surface is one of the curved shapes which are most widely applied. For instance, the progressive addition lenses（PAL) which can improve the quality of human vision are a successful example that the free-form technology is applied to optical lenses. In this paper, the design of the progressive addition lenses is introduced, and the nature and characteristics of the optical lenses will be researched through it.The progressive addition lenses is a new kind of effective solution to presbyopia, it has many advantages over other lenses dealing with presbyopia. Investigation of its design and evaluation method is shown in this paper.Various kinds of presbyopia lens is reviewed and compared. The basic feature and principle of the PAL are introduced and the difference between the characteristics of hard design and soft design is described as well. The structure of progressive addition lenses is introduced, and the soft method based on Dirichlet principle is given in detail. The principle of designing meridional power laws for progressive addition lenses is expounded based on polynomial, and the criterion of designing meridional power laws is given out. On the basis of designing meridional power laws, the vector height and the isopower contours are designed in order to determine the surfaces of progressive addition lenses.According to the differential ge ometry theory of curving surfaces, PAL’s performances are evaluated, and the mean surface power and the constant surface astigmatism are calculated.Keywords progressive addition lenses, presbyopia, soft design,meridian line目录第1章绪论 (1)1.1 引言 (1)1.2 渐进多焦点眼用镜片发展情况 (1)1.3 课题研究的意义 (3)1.4 论文主要研究内容 (4)第2章渐进多焦点眼用镜片基本原理和概念 (5)2.1 渐进多焦点眼用镜片原理 (5)2.2 镜片特征性设计 (6)2.2.1 渐进多焦点眼镜片的设计分类 (6)2.2.2 当前渐进多焦点眼用镜片的一些主要设计方法 (7)第3章渐进多焦点眼用镜片的设计 (10)3.1 子午线设计 (10)3.1.1 设计思路 (10)3.1.2 设计流程 (10)3.2 表面面形构造 (13)3.2.1 设计思路 (13)3.2.2 设计流程 (13)3.3 本章小结 (17)第4章渐进多焦点眼用镜片的评价方法 (18)4.1 评价方法 (18)4.2 设计举例 (19)4.3 本章小结 (22)结论 (23)参考文献 (24)致谢 ............................................................................................................... 错误!未定义书签。
自由曲面光学技术..
优缺点
传统的轨迹成形法加工自由曲面，共同的特点是加工效率高，但一般难于加工高精度的自 由曲面，其根本原因在于加工所依据的轨迹的准确性差，轨迹转移精度不高，而且模具或 机构等的轨迹单一，只能加工一种尺寸一种形状的非球面，且可加工的材质有限，通用性 差， 通常只用于中低精度非球面零件的批量生产。 由于该方法已经比较成熟，并且很传统，目前，国外对这方面研究的报道很少。国内主要 是中科院长春光机所和长春理工大学在做这方面的研究工作。
1972年
发展历程 1980年
摩尔公司首先开发出了用3个坐标控制的 M―18AG非球面加工机床，这种机床可加工 直径356mm的各种非球面的金属反射镜。 英国RankPneumo公司向市场推出了利用激 光反馈控制的两轴联动加工机床，该机床可 加工直径为350mm的非球面金属反射镜，加 工工件形状精度达0.25-0.5μ m，表面粗糙度 Ra在0.01-O.025μ m之间。随后又推出了 ASG2500、ASG2500T、Nanoform300等 机床
代表当今员高水平的超精密金刚石车床是美 国劳伦斯.利弗莫尔(LLNL)实验室研制成功的 LODTM，它可加工直径达2100mm，重达 4500kg的工件其加工精度可达0.25μ m，表 面粗糙度RaO.0076μ m，该机床可加工平面、 球面及非球面，主要用于加工激光核聚变工 程所需的零件、红外线装置用的零件和大型 天体反射镜等。
抛光
可以分为初抛光和精抛光等两个过程。 光学零件的抛光是获得光学表面的工序。 其目的首先是去除精磨的破坏层，达到 规定的表面疵病要求，其次是精修面形， 达到要求的光圈，形成透镜规则的表面 。
2、轨迹成型法
类别
轨迹成形法主要包括使用成形工具的轨迹成形法、使用仿形靠模的轨迹成形法和使用机 构轨迹的成型法等几种。
非球面 自由曲面
非球面自由曲面
在数学和几何学中，"非球面"和"自由曲面"都是用来描述曲面形状的术语，它们有一些区别：
1.非球面："非球面"是一个更加广泛的概念，指的是不符合球面几何特征的任何曲面。
球面是一种特殊的几何形状，具有固定的曲率和对称性。
非球面可以是任意形状的曲面，包括但不限于圆锥曲面、双曲面、抛物面等。
因此，非球面可以是任何形状的曲面，而不仅仅局限于球形。
2.自由曲面："自由曲面"通常指的是没有特定几何方程或规则定义的曲面，它的形状通常由设计师或自然力量决定，具有更加灵活的曲线和曲率。
自由曲面在工程设计、建筑设计、产品设计等领域经常被使用，用来描述复杂的、自然的曲线形态。
总的来说，"非球面"是一个更加广义的术语，用来描述任意不符合球面几何特征的曲面；而"自由曲面"则强调了曲面形状的灵活性和由设计或自然形成的特性。
自由曲面
1、内表面成型，贴近眼球，眼睛视野更宽阔 2、消除波前像差，光学性能优化至最佳 3、个性化设计，完美匹配佩戴者的眼睛，可获得最佳的视觉体验。
影响顾客眼镜佩戴效果的因素： 镜眼距、瞳距、前倾角、镜架尺寸、镜架与镜片基弧的匹配、两只镜
片的配重、个人视物喜好和敏感度……
1、形态定制
• 在镜片的形状上根据佩戴者的需要进行生产。 如大基弯染色镜片；指定厚度配重生产；美 薄加工。
2、光学定制
• 光学自由曲面是指形状精度为微米甚至亚微 米，表面精度为纳米的自由曲面，能最大限 度地改善光学系统性能，如矫正相差，改善 像质、扩大视野等。
3、生物定制
• 基于眼球转动的设计方式，随着眼球的转动， 使镜片上的每个点都能将来自眼球方向的光 线聚焦在视网膜上，在任何区域都能得到高 质量的视觉效果。设计时需考虑瞳高、镜眼 距、镜片内外表面弯度、前倾角、面弯、框 型，甚至头不同功能且最适 合自己的镜片。
传统生 产方式 自由曲 面技术
• 边缘厚，不美观。 • 边缘棱镜相差和斜向散光相差，视野 窄，舒适度差。
• 将各种设计通过单点数控机床对镜片 每个点进行点阵研磨，根据产品设计 的面型进行精确加工。 • 解决了符合人眼视觉需要的面型设计 和加工问题。
传统渐进片采用渐进片坯料加工，
前表面为渐进面，后表面为球面或托力克面
采用CNC数控机床在镜片表面直接磨削出复杂光学曲。 采用单点磨削系统在镜片表面直接磨削出复杂光学曲面 的技术称为自由曲面技术（Free-Form）
自由曲面（FREE-FORM）技术是基于数字化表面处理的（单点CNC数控机床），用于非对 称复杂光学设计表面加工的技术。
自由曲面镜片即采用自由曲面技术生产的镜片。
自由曲面光学研究
自由曲面光学研究摘要：自由曲面光学是先进光学工程领域的前沿代表性技术之一。
在成像系统中，该技术可以矫正像差、提高成像质量、减小系统单元数量及重量，在高性能照明系统设计中，该技术不仅可以有效提高光能利用率，更可消除系统对照明方向性的严格要求，并且提供了很大的设计自由度。
从系统设计、元件制造及检测方法角度对自由曲面光学进行阐述，提炼关键技术并探讨实施手段和方案。
1.引言与目前使用的常规元件相比，自由曲面光学元件作为一类复杂的、非旋转对称的异形曲面，其非球面度可以很大，可根据现代光电系统对信息发送、接收、转换、传送及存储功能的特殊需要，突破传统光学系统的概念，运用于全新的系统设计方案中。
如在头盔显示，HMD，光学系统设计中，可用一块偏心自由曲面棱镜取代传统的多透镜组合系统，利用棱镜内面镜的各面像差发生量只有传统透镜1/6的特征，获得更大出瞳，克服了一般近眼光学系统需借助调整机构补正眼幅漂移、不易轻小型化的缺点。
另一方面，以精密数控为底层支撑的计算机控制光学加工技术结合经典光学加工理论，极大地提高了高质量光学曲面元件的制造可控性，为系统设计原型的实现提供关键元件。
此外，型面质量的有效评价和精密检测是其先进制造技术中的重要组成部分，工件的制造精度由检测的精度来验证，并获得补偿及误差修正数据。
由于先进光学制造技术的不断发展，要求测量精度的等级不断提高，直接导致自由曲面光学元件型面质量的检测难度加大。
特别是在现有技术条件下，对具有非旋转且非对称特征的空间自由曲面的精确检测与评价具有相当大的难度，实现型面参数化表达极为复杂。
因此，在实施过程中，适应这一快速发展态势的先进光学制造检测技术并不易于实现。
就单一光学元件来讲，例如达到光学理论上所追求的高精度的光学非球面元件已经是一种突破，而针对复杂光学系统，如非对称式光学系统中精密三维自由曲面元件的高质量制造检测就更是一项挑战。
2.自由曲面光学设计自由曲面光学系统的设计自由度较大，可以采取折射/反射相结合的方法，可实现避免中心遮拦的离轴式设计，有利于获得高分辨力、高光能利用率，并通过光路折叠，实现系统结构的紧凑化。
自由曲面在空间光学的应用
自由曲面在空间光学的应用自由曲面在空间光学中的应用在当今的生活中，自由曲面（Free-form ）扮演着越来越重要的角色。
如汽车车身、飞机机翼和轮船船体的曲线和曲面都是自由曲面。
到底什么是自由曲面？简单来讲，在工业上我们认为就是不能用初等解析函数完全清楚的表达全部形状，需要构造新的函数来进行研究；在光学系统中，光学自由曲面没有严格确切的定义，通常是指无法用球面或者非球面系数来表示的光学曲面，主要是指非旋转对称的曲面或者只能用参数向量来表示的曲面。
在我们的日常生活中，打印机、复印机以及彩色CRT中都会用到光学自由曲面。
鉴于光学自由曲面在我们的生活中扮演着越来越重要的角色，所以，以下就自由曲面在空间光学方面的情况进行了调研。
一、自由曲面简介光学自由曲面没有严格确切的定义，通常指无法用球面或者非球面系数来表示的光学曲面，主要是指非旋转对称的曲面或者只能用参数向量来表示的曲面。
光学自由曲面已经渗透到我们生活中的各个角落，如能改善人类视觉质量的渐进多焦点眼镜，就是自由曲面技术在眼用光学镜片中的成功应用。
自由曲面光学镜片主要有两种：一是自然形成的曲面；二是人工形成的曲面。
人工形成的自由曲面又分为一次成型和加工成型两种形式。
二、自由曲面运用的原因空间遥感光学系统是在离地200km （低轨卫星）以上的轨道对地面目标或空间目标进行光学信息获取，具有遥感成像距离远的特点。
如何在几百公里遥感距离下获得较高分辨率的同时保证较宽的成像幅宽是推动空间遥感光学不断发展的源动力。
光学系统的入瞳直径是决定空间相机地面像元分辨率的主要因素之一，在一定F/#的前提下，入瞳直径越大，空间相机地面像元分辨率越高。
但入瞳直径的增加，意味着所有与孔径相关的像差增加。
受空间环境中力学、热学、压力等因素的制约，当入瞳直径增大到一定程度（通常200 mm以上），光学系统一般采用反射式或折反射式方案。
为了简化光学系统形式，仅采用球面镜是无法平衡由于入瞳直径增加而剧增的像差，然而通过运用自由曲面的应用，可以解决像差增大的问题。