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    4. 自由曲面光學的應用和特點

      作者:佚名 來源:網絡文檔 時間:2022-06-22 16:24 閱讀:360 [投稿]
      自由曲面光學,在幾何方面上可以定義為表面沒有圍繞光軸旋轉對稱或平移的光學器件。

      自由曲面光學,在幾何方面上可以定義為表面沒有圍繞光軸旋轉對稱或平移的光學器件。自由曲面光學是折射和反射表面,與球面和非球面幾何形狀有很大不同。自由曲面光學制造始于定義表面,在數學表征上要求高且復雜。自由曲面光學的數學描述有多種可能性。非球面根據ISO 10110使用Zernike-Fringe多項式計算,其中表面輪廓在數學的表征上描述為:


      其中c是曲率半徑的倒數,k是圓錐常數,Zi是標準Zernike多項式,Ai是Zernike系數,r是表面的徑向坐標,ρ(rho)歸一化徑向和φ(phi)角坐標。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。因為自由曲面光學打破了對稱性,光學系統的設計有了更多的可能性,使得光學元件的幾何形狀更加復雜,并且需要使用參考結構進行定向。

      圖1展示了球面、非球面和自由曲面在視場(FOV)、數值孔徑(NA)和小型化方面的比較,自由曲面光學可以對這三個參數進行自由改進。


      圖1.球面、非球面和自由曲面在視場(FOV)、數值孔徑(NA)和小型化方面的比較

      由于自由曲面光學具有特殊的表面形狀,它們還可以實現傳統光學器件無法實現的功能。特別是對于小型光學組件,例如整體式組件。這在折疊光束路徑時較為有利,并且可以替代現有的裝置,例如反射鏡系統。如圖2,模擬的光束路徑折疊,單片自由曲面光學器件的另一個優勢是節省了安裝和對準的時間。


      圖2.由三個非球面和一個自由曲面組成的單片系統的光學設計

      自由曲面光學的應用潛力已經被各個行業發現和探索。在汽車行業駕駛員輔助系統中,為了改進這些輔助系統,越來越多的傳感器系統被安裝在車輛中以增強駕駛員的駕駛體驗。為了構建復雜的光學系統,每個單獨的光學元件占用盡可能少的安裝空間是較為重要的。自由曲面光學在較新的汽車模型中,可以在實現更多的自由形式,例如在平視顯示器中,自由曲面光學也用于成像/顯示行業,例如投影系統。自由曲面光學器件可用于需要折疊光束路徑、聚焦傾斜入射光和或系統小型化的地方。光學系統質量和體積的減少與盡可能大的視場相結合,使得自由曲面光學的應用中具有更大的挑戰和廣泛性,例如在航空航天工業領域。此外,它還可用于安全應用領域,例如用于消防員頭盔的攝像系統,在熱成像中使用自由曲面光學。通過紅外攝像機結合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,這將取代傳統手持式紅外攝像機。自由曲面光學具有較多的幾何自由度,因此在參數上對設計和生產有很多的要求。由于其特殊性質,自由曲面光學需要考慮更緊湊的設計,光學系統的小型化,表現好的光學性能等。由于光學領域有許多可能的應用和新市場的開放,自由曲面光學將在未來發揮越來越重要的作用。

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