自由曲面透镜，高性能、紧凑且轻便，Asphericon可承受10kW高功率激光

Asphericon自由曲面光学元件没有旋转对称性，这一特性能够为光学系统带来全新的设计理念，这一技术可以让搭建光学系统使用更少的元件，让系统体积整体缩小，更轻，更加具有效率。在高精度自由曲面的设计和批量生产这一领域，德国Asphericon无疑是专家。

自由曲面光学的主要优点包括：

-其紧凑的结构设计

-可能实现的光学系统尺寸，以及能够开启新的光学功能。

由于自由曲面透镜光学形状/表面很少对称或根本没有对称性，自由曲面光学元件具有许多设计自由度。它们的制造过程类似于高度复杂的非球面镜片。表面形状以及局部倾斜变化会影响几何结构的复杂性、制造工艺和测量难度。得益于现代制造和测量设备，Asphericon也能生产非常规的自由曲面光学元件及系统。

深入了解使用Asphericon创新技术制造的自由曲面光学元件及系统所带来的众多优势。

-非传统形状，采用各种材料（包括陶瓷和红外材料）

-直径最大达300毫米的镜头、镜子和整体元件

-多焦点、紧凑型系统

-卓越的表面质量（50nm<RMSi<90nm）

-包含所有位置公差的无CGH测量（完整组件）

-个性化的镀膜和安装概念

-针对生产优化系统设计的光学设计咨询服务

图1：由Asphericon采用研磨和抛光方法制作的自由曲面光学元件的示例。图中显示了经过两次修正抛光后的波前图，以及相关的测量表面和零件公差（性能目标：RMS WFE<35mλ）

自由曲面光学规格

从设想到批量

多年来，Asphericon 一直致力于自由曲面的（批量）生产。与来自该地区的强大合作伙伴一起，在 “Freeform Optics Plus (ƒo+)”地区增长核心内果断推进了创新自由曲面光学系统的开发和营销。2018 年，这个享誉国际的项目获得了德国科学与人文促进捐助协会颁发的合作研究科学奖，以表彰自由曲面光学的开创性方法。

近年来，Asphericon在多个项目中引入了新的制造策略并磨练了测量理念，在自由曲面光学和系统领域积累了丰富的专业知识。

在2022年激光与光电子世界博览会上，Asphericon公司展示了一款基于自由曲面光学技术的反射式光束整形器。Asphericon自由曲面光学设计能够补偿不对称性，并将体积减小一半。这款新型光束整形器使得激光器成为一种灵活的工具，既适用于高达10kW的高激光功率，也适用于各种波长。

阿尔瓦雷斯系统

同时，也请探索我们基于阿尔瓦雷斯透镜的自由曲面系统。此类系统因其紧凑的自由曲面光学设计而特别具有说服力。得益于其表面形状，可以无限变化光学功能。例如，动态改变系统焦距、补偿激光束发散，以及创建方形顶帽（Top-Hat）光斑轮廓等。如果您对阿尔瓦雷斯透镜有任何疑问，请与我们联系。

图2：通过使用Alvarez透镜实现系统焦距的动态变化。

Asphericon自由曲面的规格说明

Asphericon自由曲面光学元件是折射和反射表面，与球面和非球面几何形状有很大不同。自由曲面光学制造首先从定义表面开始。除了对光学元件有清晰的描述外，还需要提供用于生产的方程式、点云或三维模型。

一种可能的自由曲面光学透镜是采用实际上旋转对称的透镜进行偏心使用，使其适应离轴范围。从光学角度考虑的相关部分被切割出来（参见图3），同时也为了节省系统空间。

在生产方面，对称透镜的成本更低，也更容易制造。从光学设计角度看，由于实现的光学效果，其表面已经是自由曲面形态。然而，这种离轴镜头的一个副作用是随着斜入射光的增加，像差也随之增大，最终导致图像质量迅速下降。真正自由曲面透镜设计的最大优势在于，凭借其特殊的几何形状和较高自由度数，它们能够实现非常优秀的成像质量。然而，与传统的对称透镜相比，光学设计及制造过程的要求更为复杂且苛刻。

图3：不同透镜形状从球面到自由曲面的演变（从左到右复杂程度增加）

自由曲面光学的优势与挑战

基于它们特殊的表面形状，自由曲面光学元件能够提供传统光学无法实现的功能。特别是在需要折叠光路的光学系统中，例如单体结构，自由曲面透镜具有极大的优势，并且可以取代现有的、更大的光学装置，如反射镜系统。为了说明这一点，下图展示了一个由三个非球面和一个自由曲面组成的单片系统的光学设计，其中模拟了光束路径折叠。所示的单片结构是在研发平台fo+上创建的。

图4：单片系统的光学设计

相比于球面和非球面透镜，使用自由曲面可以实现视场和数值孔径的提升，同时在尺寸和重量方面也能有所改进（参见图5）。然而，高质量的自由曲面光学元件是保证光学系统持续保持高品质的绝对前提条件。

图5：比较球面、非球面及自由曲面光学元件在视场、数值孔径及尺寸方面的差异。