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深圳海納光學(xué)有限公司

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Asphericon在自由曲面光學(xué)的應(yīng)用與特點(diǎn)一覽

2022-2-23  閱讀(552)

   1展示了球面、非球面和自由曲面在視場(chǎng)(FOV)、數(shù)值孔徑(NA)和小型化方面的比較,自由曲面光學(xué)可以對(duì)這三個(gè)參數(shù)進(jìn)行自由改進(jìn)。

 

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球面、非球面和自由曲面在視場(chǎng)(FOV)、數(shù)值孔徑(NA)和小型化方面的比較

由于自由曲面光學(xué)具有特殊的表面形狀,它們還可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)光學(xué)器件無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能。特別是對(duì)于小型光學(xué)組件,例如整體式組件。這在折疊光束路徑時(shí)較為有利,并且可以替代現(xiàn)有的裝置,例如反射鏡系統(tǒng)。如圖2,模擬的光束路徑折疊,單片自由曲面光學(xué)器件的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是節(jié)省了安裝和對(duì)準(zhǔn)的時(shí)間。

 

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由三個(gè)非球面和一個(gè)自由曲面組成的單片系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)

自由曲面光學(xué)的應(yīng)用潛力已經(jīng)被各個(gè)行業(yè)發(fā)現(xiàn)和探索。Asphericon一直與區(qū)域合作伙伴、公司和研究機(jī)構(gòu)一起開(kāi)展研究項(xiàng)目“Freefrom Optics Plus (fo+)”研究Asphericon自由曲面項(xiàng)目,旨在開(kāi)發(fā)創(chuàng)新的Asphericon自由曲面光學(xué)器件系統(tǒng)。在汽車(chē)行業(yè)駕駛員輔助系統(tǒng)中,為了改進(jìn)這些輔助系統(tǒng),越來(lái)越多的傳感器系統(tǒng)被安裝在車(chē)輛中以增強(qiáng)駕駛員的駕駛體驗(yàn)。為了構(gòu)建復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng),每個(gè)單獨(dú)的光學(xué)元件占用盡可能少的安裝空間是較為重要的。自由曲面光學(xué)在較新的汽車(chē)模型中,可以在實(shí)現(xiàn)更多的自由形式,例如在平視顯示器中,自由曲面光學(xué)也用于成像/顯示行業(yè),例如投影系統(tǒng)。

自由曲面光學(xué)器件可用于需要折疊光束路徑、聚焦傾斜入射光和或系統(tǒng)小型化的地方。光學(xué)系統(tǒng)質(zhì)量和體積的減少與盡可能大的視場(chǎng)相結(jié)合,使得自由曲面光學(xué)的應(yīng)用中具有更大的挑戰(zhàn)和廣泛性,例如在航空航天工業(yè)領(lǐng)域。此外,它還可用于安全應(yīng)用領(lǐng)域,例如用于消防員頭盔的攝像系統(tǒng),在熱成像中使用自由曲面光學(xué)。通過(guò)紅外攝像機(jī)結(jié)合AR眼鏡,可以立即看到熱圖像,在建筑物的廢墟中尋找被困人員,這將取代傳統(tǒng)手持式紅外攝像機(jī)。

自由曲面光學(xué)具有較多的幾何自由度,因此在參數(shù)上對(duì)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)有很多的要求。由于其特殊性質(zhì),自由曲面光學(xué)需要考慮更緊湊的設(shè)計(jì),光學(xué)系統(tǒng)的小型化,表現(xiàn)好的光學(xué)性能等。由于光學(xué)領(lǐng)域有許多可能的應(yīng)用和新市場(chǎng)的開(kāi)放,自由曲面光學(xué)將在未來(lái)發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。


 

       自由曲面光學(xué),在幾何方面上可以定義為表面沒(méi)有圍繞光軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)或平移的光學(xué)器件。自由曲面光學(xué)是折射和反射表面,與球面和非球面幾何形狀有很大不同。自由曲面光學(xué)制造始于定義表面,在數(shù)學(xué)表征上要求高且復(fù)雜。自由曲面光學(xué)的數(shù)學(xué)描述有多種可能性。非球面根據(jù)ISO 10110使用Zernike-Fringe多項(xiàng)式計(jì)算,其中表面輪廓在數(shù)學(xué)的表征上描述為:

 

1.png

 其中c是曲率半徑的倒數(shù),k是圓錐常數(shù),Zi是標(biāo)準(zhǔn)Zernike多項(xiàng)式,AiZernike系數(shù),r是表面的徑向坐標(biāo),ρ(rho)歸一化徑向和φ(phi)角坐標(biāo)。

自由曲面與球面或非球面相比,自由曲面具有更多的自由度。因?yàn)樽杂汕婀鈱W(xué)打破了對(duì)稱(chēng)性,光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有了更多的可能性,使得光學(xué)元件的幾何形狀更加復(fù)雜,并且需要使用參考結(jié)構(gòu)進(jìn)行定向。得益于現(xiàn)代化的制造和測(cè)量設(shè)備,Asphericon非球面還可以生產(chǎn)非常規(guī)的Asphericon自由曲面和系統(tǒng),使得在自由曲面光學(xué)的應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)更多的可能。通過(guò)非球面的創(chuàng)新技術(shù),Asphericon在自由曲面光學(xué)的應(yīng)用上有以下一些優(yōu)勢(shì):材料(包括陶瓷)中的常規(guī)形狀;透鏡、反射鏡、直徑達(dá)300毫米的單片元件;多焦點(diǎn)、緊湊型系統(tǒng);出色的表面質(zhì)量(至少達(dá)到RMSi50nm);無(wú)CGH測(cè)量;單獨(dú)的涂層和安裝;針對(duì)生產(chǎn)而優(yōu)化的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

 

 

 

 

 



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