光學(xué)設(shè)計人員一般會對自由形態(tài)組件避而遠(yuǎn)之，通常會主動控制他們的透鏡設(shè)計軟件不允許使用自由形態(tài)組件。

設(shè)計師大多避免使用自由形態(tài)光學(xué)器件，原因很簡單，它們太貴了，而且直到最近，在大多數(shù)商業(yè)產(chǎn)品中都很難找到這種產(chǎn)品。但 MKS 已經(jīng)開發(fā)出新的制造技術(shù)，使高質(zhì)量的自由曲面復(fù)制鏡面成為一種經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，并可隨時批量生產(chǎn)。

自由曲面的優(yōu)勢

自由形式中對稱性的缺乏，使其能夠?qū)�光線路徑進(jìn)行更復(fù)雜的控制。這使得自由曲面能夠比傳統(tǒng)光學(xué)器件更有效地校正像差，特別是在寬視場和高分辨率成像系統(tǒng)中常見的離軸像差。這種能力帶來了更高的產(chǎn)量和卓越的圖像質(zhì)量，在更寬的視野范圍內(nèi)提高清晰度和對比度。這一優(yōu)勢使其應(yīng)用范圍從顯微鏡和光譜儀，拓展到攝影和先進(jìn)的監(jiān)控。

自由曲面光學(xué)技術(shù)還能使光學(xué)設(shè)計更緊湊、更輕便， 同時不影響性能。其復(fù)雜的形狀可以用一個表面就可以完成通常需要多個表面才能完成的工作。它可以減少元件數(shù)量，從而實現(xiàn)更小、更高效的設(shè)計。它非常適合空間和重量影響非常大的應(yīng)用，這些應(yīng)用范圍包括航空航天、便攜式消費電子產(chǎn)品。此外，自由曲面可以降低光學(xué)系統(tǒng)對實際機(jī)械公差的敏感度，使其更易于組裝，并在實際使用中始終保持更好的性能。

圖 1：自由曲面是沒有對稱性的曲面。其中最簡單的以及最廣泛使用的自由曲面是拋物線或其他圓錐截面的離軸段

自由曲面到底是什么？是什么讓它如此有用？自由曲面是一種缺乏旋轉(zhuǎn)和平移對稱性的表面，如圖 1 所示。這與大多數(shù)采用球形表面的傳統(tǒng)光學(xué)原理形成了鮮明對比：傳統(tǒng)光學(xué)器件采用球面表 面，在所有軸上旋轉(zhuǎn)對稱（球體沒有頂點）。通常使用的非球面具有單個旋轉(zhuǎn)對稱軸。

自由曲面提高了設(shè)計自由度，為光學(xué)設(shè)計帶來了全新的可能性。它可以使光學(xué)工程師能夠應(yīng)對以前認(rèn)為的無法解決的挑戰(zhàn)，支持開發(fā)更具創(chuàng)新性的新型解決方案。

自由曲面制造上的挑戰(zhàn)

要理解為什么自由曲面在制造的來源上存在問題，我們不妨回顧一下過去使用的各種制造方法。一般有幾種制造方法，為特定應(yīng)用選擇哪一種取決于幾個因素，這些因素包括部件的表面形狀（尤其是它與簡單球體的偏離程度）、所需精度、零件尺寸、基底 材料、所需數(shù)量，當(dāng)然還有目標(biāo)成本。

大多數(shù)自由曲面制造方法大致可分為以下幾個不同的組別。常用的是各種數(shù)控加工方法，包括金剛石車削。其中最先進(jìn)的加工方法可以實現(xiàn)光學(xué)表面的質(zhì)量接近傳統(tǒng)的拋光方法。有時還會采用額外的后加工步驟，以進(jìn)一步提高形狀或表面質(zhì)量。 

各種亞孔徑拋光技術(shù)還可以提供非常高精度的自由曲面，包括磁流變拋光（MRF）或計算機(jī)控制的傳統(tǒng)研磨拋光。同樣，這些可能需要額外的加工步驟，如離子束成型 (IBF)，來對所需的表面形狀進(jìn)行最后調(diào)整。

此外，還有各種復(fù)制方法，從注塑成型和玻璃成型到更復(fù)雜的技術(shù)。如今，各種快速成型制造方法 （3D 打印）也在開始使用。

這些方法的問題很簡單。這些方法實現(xiàn)高表面精度和低表面粗糙度的都很費時間，而且只能一次生成一個部件。沒有辦法輕松將它們擴(kuò)大到能同時加工多個部件。因此，要想大批量生產(chǎn)具有成本競爭力的部件，它們并不是一個切實可行的可選擇方案。

另一方面，適合批量生產(chǎn)的方法并不能產(chǎn)生高質(zhì)量的光學(xué)表面，沒有表現(xiàn)出自由曲面的優(yōu)點。在大多數(shù)成像任務(wù)中，它們的使用大多僅限于照明應(yīng)用。此外，其中一些批量生產(chǎn)方法在啟動時會產(chǎn)生大量的模具成本。

來自 MKS 的全新自由曲面技術(shù)

MKS Newport 現(xiàn)已開發(fā)出自由曲面復(fù)制鏡面制造技術(shù)，突破了這些傳統(tǒng)制造方法的限制，可以批量供應(yīng)經(jīng)濟(jì)、高精度的自由曲面復(fù)制鏡面。我們的制造過程簡單明了，而且與其它現(xiàn)有復(fù)制技術(shù)相似。主要步驟如下圖 2 所示。我們已經(jīng)擁有豐富的工藝知識和經(jīng)驗。

圖 2：自由曲面復(fù)制鏡面的制造概述

生產(chǎn)高精度產(chǎn)品的關(guān)鍵步驟

1、這一過程始于創(chuàng)建一個高品質(zhì)的母件：通常通過對金屬零件進(jìn)行五軸金剛石車削加工而成。最終復(fù)制的部分將緊密再現(xiàn)母版的表面，這一步驟需精心制作。該母版上的形狀與最終所需的表面形狀相反（例如，制作一個凸形母版，以產(chǎn)生凹形復(fù)制鏡面）

還需要執(zhí)行各種后處理步驟，并使用干涉測量法和其他計量工具，以達(dá)到所需精度的水平。通常情 況下，目標(biāo)是實現(xiàn) λ/10 至 λ/20 范圍內(nèi)的表面精度，以及表面粗糙度，可與傳統(tǒng)制造的光學(xué)器件媲美（就預(yù)定工作波長而言） 。

2、先在母版的光學(xué)表面涂上一層 " 脫模層 "，然后再用標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)方法在脫模層上涂上一層鏡面涂層。與 Newport 復(fù)制工藝兼容的金屬反射涂層為鋁、UV 增強(qiáng)鋁、裸金和受保護(hù)的銀。

3、復(fù)制光學(xué)元件的基板已制作完成。這些部件可以是任何形狀或形式，除了光學(xué)表面外，還可以包括各種支撐結(jié)構(gòu)。將多個復(fù)制鏡面放置在一個整體基板上也是完全可能的。最重要的是，復(fù)制部件的光學(xué)表面無需達(dá)到與母件相同的精度水平。事實上，就表面精度和表面粗糙度而言，它們通常要差 20 - 50 倍。這意味著復(fù)制品的基底可以更快地制作出來，成本也大大低于母件。各種各樣的基底材料都與 Newport 復(fù)制工藝兼容。這些包括各種金屬（如鋁，鋼，鈹和鈦），玻璃， 陶瓷，碳化硅和其他復(fù)合材料，甚至碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）。有了基底，實際復(fù)制周期的第一步是在復(fù)制品的光學(xué)表面上放置粘合劑。

4、接下來，使母件和復(fù)制品接觸，并使粘合劑固化。

5、最后取出母件。金屬涂層與粘接劑保持粘接，從母件轉(zhuǎn)移到復(fù)制品。粘接劑的粘度使其能夠填滿原始母件表面和公差小得多的復(fù)制品基底之間的任何 " 縫隙 "。結(jié)果是母件的形狀以非常高的保真度再現(xiàn)，無論是在總體表面精度方面還是表面粗糙度方面。

如圖 3 所示，通過此過程消除了最初存在于復(fù)制品基底表面上的，任何加工標(biāo)記和中間空間頻率引起的表面誤差。這些復(fù)制品部件的典型規(guī)格是 λ/8 表面精度和 60-40 的劃痕-麻點。在這個周期結(jié)束時，母件沒有變化，然后可以用來制作更多的副本。因此，可以在短時間內(nèi)，在低成本的基底上生產(chǎn)大量高精度零件。這僅需要制 造一個或幾個較高成本、高精度的母件來實現(xiàn)。

圖 3：轉(zhuǎn)移工藝前的基底光學(xué)表面（左）顯示出明顯的工具痕跡和表面粗糙度。在轉(zhuǎn)移金屬涂層（右）后，它是光滑和準(zhǔn)確的，公差典型的高精度光學(xué)元件。

實現(xiàn)復(fù)制鏡面的使用自由

MKS Newport 復(fù)制工藝可實現(xiàn)高性能自由面復(fù)制鏡面的批量生產(chǎn)，成本僅為傳統(tǒng)上與這些類型組件相關(guān)的成本的一小部分。它真正實現(xiàn)了自由曲面反射光學(xué)元件的自由化，將長期以來主要與高端軍事和航空航天光學(xué)相關(guān)的技術(shù)帶入商業(yè)產(chǎn)品設(shè)計師手中。 

我們的復(fù)制工藝提供的不僅僅是具有成本效益的自由曲面光學(xué)元件。具體來說，除了自由曲面本身之外，還有兩個關(guān)鍵的優(yōu)勢：

首先是能夠集成任何類型的光學(xué)元件并安裝在單片基底上。這種能力已經(jīng)被國防和航空航天設(shè)計師使用了一段時間，以制造出比由單獨的光學(xué)和機(jī)械部件組成的系統(tǒng)更輕，更緊湊，更堅固的金屬復(fù) 制鏡面組件。 

圖 4 顯示了一個包含四個平面鏡的單個金屬部件－而不是自由曲面。其中一面鏡子上有穿孔。具有這樣的整體結(jié)構(gòu)消除了在組裝期間可能會復(fù)雜且耗時的對準(zhǔn)過程。此外，這個系統(tǒng)永遠(yuǎn)不會偏離軌道堅固耐用。 

此外，可用的各種襯底材料，允許系統(tǒng)設(shè)計者更高地針對特定用例或特定的性能標(biāo)準(zhǔn)集進(jìn)行優(yōu)化。例如，如果重量輕是關(guān)鍵，鋁、陶瓷甚至 CFRP 都可以用作基材。如果需要高剛度和高導(dǎo)熱性，則可以使用碳化硅。

圖 4：四鏡單片設(shè)計，鏡面上有一個通孔，用于光束進(jìn)入系統(tǒng)。

能夠復(fù)制高質(zhì)量的非球面，以及其他復(fù)雜的組件，如角立方體回射鏡，再加上它們與機(jī)械結(jié)構(gòu)的無縫集成，極大地擴(kuò)展了系統(tǒng)開發(fā)人員的設(shè)計領(lǐng)域。這些功能以前僅限于軍事和航空航天領(lǐng)域的高成本、 一次性使用系統(tǒng)，現(xiàn)在我們的工藝所提供的這些功能可惠及廣泛的商業(yè)應(yīng)用。從醫(yī)療儀器和環(huán)境監(jiān)測到 LIDAR 和 ADAS 系統(tǒng)，這項技術(shù)為創(chuàng)新浪潮打開了大門，以可接受的成本和交貨時間提供解決方案。

Newport 擁有專業(yè)知識和多年的經(jīng)驗，可以幫助您實現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)中自由曲面復(fù)制鏡面的使用自由。聯(lián)系 Newport，了解自由曲面復(fù)制鏡面如何消除不必要的光學(xué)約束，以自由設(shè)計光學(xué)系統(tǒng)。

文章來源：MKS 光電解決方案

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