光學(xué)設(shè)計(jì)人員一般會(huì)對(duì)自由形態(tài)組件避而遠(yuǎn)之，通常會(huì)主動(dòng)控制他們的透鏡設(shè)計(jì)軟件不允許使用自由形態(tài)組件。

設(shè)計(jì)師大多避免使用自由形態(tài)光學(xué)器件，原因很簡(jiǎn)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(kāi)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(shí)批量生產(chǎn)。

自由曲面的優(yōu)勢(shì)

自由形式中對(duì)稱性的缺乏，使其能夠?qū)饩€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(chǎng)和高分辨率成像系統(tǒng)中常見(jiàn)的離軸像差。這種能力帶來(lái)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(duì)比度。這一優(yōu)勢(shì)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(jì)更緊湊、更輕便， 同時(shí)不影響性能。其復(fù)雜的形狀可以用一個(gè)表面就可以完成通常需要多個(gè)表面才能完成的工作。它可以減少元件數(shù)量，從而實(shí)現(xiàn)更小、更高效的設(shè)計(jì)。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(fèi)電子產(chǎn)品。此外，自由曲面可以降低光學(xué)系統(tǒng)對(duì)實(shí)際機(jī)械公差的敏感度，使其更易于組裝，并在實(shí)際使用中始終保持更好的性能。

圖 1：自由曲面是沒(méi)有對(duì)稱性的曲面。其中最簡(jiǎn)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(duì)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(duì)比：傳統(tǒng)光學(xué)器件采用球面表 面，在所有軸上旋轉(zhuǎn)對(duì)稱（球體沒(méi)有頂點(diǎn)）。通常使用的非球面具有單個(gè)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸。

自由曲面提高了設(shè)計(jì)自由度，為光學(xué)設(shè)計(jì)帶來(lái)了全新的可能性。它可以使光學(xué)工程師能夠應(yīng)對(duì)以前認(rèn)為的無(wú)法解決的挑戰(zhàn)，支持開(kāi)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(lái)源上存在問(wèn)題，我們不妨回顧一下過(guò)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(gè)因素，這些因素包括部件的表面形狀（尤其是它與簡(jiǎn)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(gè)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(shí)現(xiàn)光學(xué)表面的質(zhì)量接近傳統(tǒng)的拋光方法。有時(shí)還會(huì)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(jì)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(lái)對(duì)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�。┮苍陂_(kāi)始使用。

這些方法的問(wèn)題很簡(jiǎn)單。這些方法實(shí)現(xiàn)高表面精度和低表面粗糙度的都很費(fèi)時(shí)間，而且只能一次生成一個(gè)部件。沒(méi)有辦法輕松將它們擴(kuò)大到能同時(shí)加工多個(gè)部件。因此，要想大批量生產(chǎn)具有成本競(jìng)爭(zhēng)力的部件，它們并不是一個(gè)切實(shí)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(méi)有表現(xiàn)出自由曲面的優(yōu)點(diǎn)。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(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的模具成本。

來(lái)自 MKS 的全新自由曲面技術(shù)

MKS Newport 現(xiàn)已開(kāi)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(guò)程簡(jiǎn)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(shí)和經(jīng)驗(yàn)。

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(guò)程始于創(chuàng)建一個(gè)高品質(zhì)的母件：通常通過(guò)對(duì)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(gè)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(cè)量法和其他計(jì)量工具，以達(dá)到所需精度的水平。通常情 況下，目標(biāo)是實(shí)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(zhǎng)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(gè)復(fù)制鏡面放置在一個(gè)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(wú)需達(dá)到與母件相同的精度水平。事實(shí)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(lái)，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(shí)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(lái)，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(wú)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(guò)此過(guò)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(diǎn)。在這個(gè)周期結(jié)束時(shí)，母件沒(méi)有變化，然后可以用來(lái)制作更多的副本。因此，可以在短時(shí)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(gè)或幾個(gè)較高成本、高精度的母件來(lái)實(shí)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(shí)現(xiàn)復(fù)制鏡面的使用自由

MKS Newport 復(fù)制工藝可實(shí)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(shí)現(xiàn)了自由曲面反射光學(xué)元件的自由化，將長(zhǎng)期以來(lái)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(jì)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(lái)說(shuō)，除了自由曲面本身之外，還有兩個(gè)關(guān)鍵的優(yōu)勢(shì)：

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(guó)防和航空航天設(shè)計(jì)師使用了一段時(shí)間，以制造出比由單獨(dú)的光學(xué)和機(jī)械部件組成的系統(tǒng)更輕，更緊湊，更堅(jiān)固的金屬?gòu)?fù) 制鏡面組件。 

圖 4 顯示了一個(gè)包含四個(gè)平面鏡的單個(gè)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(huì)復(fù)雜且耗時(shí)的對(duì)準(zhǔn)過(guò)程。此外，這個(gè)系統(tǒng)永遠(yuǎn)不會(huì)偏離軌道堅(jiān)固耐用。 

此外，可用的各種襯底材料，允許系統(tǒng)設(shè)計(jì)者更高地針對(duì)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(jì)，鏡面上有一個(gè)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(wú)縫集成，極大地?cái)U(kuò)展了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員的設(shè)計(jì)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(cè)到 LIDAR 和 ADAS 系統(tǒng)，這項(xiàng)技術(shù)為創(chuàng)新浪潮打開(kāi)了大門，以可接受的成本和交貨時(shí)間提供解決方案。

Newport 擁有專業(yè)知識(shí)和多年的經(jīng)驗(yàn)，可以幫助您實(shí)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(jì)光學(xué)系統(tǒng)。

文章來(lái)源：MKS 光電解決方案

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