自由曲面成像光学推动应用光学领域的发展
思瀚产业研究院    2022-06-21

光学镜头镜片领域按技术发展主要分为球面镜、非球面镜、自由曲面、镜片阵列 4 大阶段。随着技术不断发展，当前自由曲面已经成为当前光学热点之一。

对于传统旋转对称曲面（球面镜、非球面镜），自由曲面面型更加灵活，需要使用更多的面型参数来进行描述，可以为光学设计带来更多的设计自由度，有很强的面型描述能力与很好的像差校正能力。正因为有这些特性，自由曲面特别适用于校正光学系统的像差，尤其是非对称系统（指失去旋转对称性结构的系统，可以包含有平面对称性但无旋转对称性的系统），同时可以减少系统中元件的数量，减小系统的体积与质量，实现传统光学系统难以实现的系统参数、结构与功能。

近年来，随着精密加工与检测技术的不断进步，可用于成像系统的、较大尺寸的自由曲面元件的制造成为了可能。传统球面以及非球面可供光学系统设计使用的自由度较少。自由曲面打破了旋转对称以及平移对称的几何约束，特别适用于校正非旋转对称系统的像差，同时可以减少系统中元件的数量，减小系统的体积与质量，实现传统光学系统难以实现的系统参数、结构与功能。自由曲面为光学设计的发展注入了巨大潜力，成为了近十年来应用光学领域的研究热点，如汽车抬头显示器（Head-Up Display，HUD）领域。

HUD 在汽车上使用越来越普遍，它能将车速、导航地图等信息投影到汽车前挡风玻璃的驾驶员平视范围内，驾驶员无需低头就可以看到这些信息，减少了因低头查看信息而导致交通事故的可能，缩短了驾驶盲区时间，可以有效提升行车的安全性。自由曲面成像光学将在车载部件领域得到广泛使用，同时相关研究成果将深刻推动应用光学领域的发展，在应用方面不断激发新的可能性。