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    光学设计职员一般会对于自由形态组件避而远之，凡是会自动节制他们的透镜设计软件不答应利用自由形态组件。

设计师年夜多防止利用自由形态光学器件，缘故原由很简朴，它们太贵了，并且直到近来，于年夜大都贸易产物中都很难找到这类产物。但 MKS 已经经开发出新的制造技能，使高质量的自由曲面复制镜面成为一种经济高效的解决方案，并可随时批量出产。

自由曲面的上风

自由情势中对于称性的缺少，使其可以或许对于光芒路径举行更繁杂的节制。这使患上自由曲面可以或许比传统光学器件更有用地校订像差，尤其是于宽视场及高分辩率成像体系中常见的离轴像差。这类能力带来了更高的产量及卓着的图象质量，于更宽的视线规模内提高清楚度及对于比度。这一上风使其运用规模从显微镜及光谱仪，拓展到摄影及进步前辈的监控。

自由曲面光学技能还有能使光学设计更紧凑、更轻巧， 同时不影响机能。其繁杂的外形可以用一个外貌就能够完成凡是需要多个外貌才能完成的事情。它可以削减元件数目，从而实现更小、更高效的设计。它很是合适空间及重量影响很是年夜的运用，这些运用规模包括航空航天、便携式消费电子产物。此外，自由曲面可以降低光学体系对于现实机械公役的敏感度，使其更容易在组装，并于现实利用中始终连结更好的机能。

图 1：自由曲面是没有对于称性的曲面。此中最简朴的以和最广泛利用的自由曲面是抛物线或者其他圆锥截面的离轴段

自由曲面究竟是甚么？是甚么让它云云有效？自由曲面是一种缺少扭转及平移对于称性的外貌，如图 1 所示。这与年夜大都采用球形外貌的传统光学道理形成为了光鲜对于比：传统光学器件采用球面表 面，于所有轴上扭转对于称（球体没有极点）。凡是利用的非球面具备单个扭转对于称轴。

自由曲面提高了设计自由度，为光学设计带来了全新的可能性。它可使光学工程师可以或许应答之前认为的没法解决的挑战，撑持开发更具立异性的新型解决方案。

自由曲面制造上的挑战

要理解为何自由曲面于制造的来历上存于问题，咱们没关系回首一下已往利用的各类制造要领。一般有几种制造要领，为特定运用选择哪种取决在几个因素，这些因素包括部件的外貌外形（特别是它与简朴球体的偏离水平）、所需精度、零件尺寸、基底 质料、所需数目，固然还有有方针成本。

年夜大都自由曲面制造要领年夜致可分为如下几个差别的组别。经常使用的是各类数控加工要领，包括金刚石车削。此中开始进的加工要领可以实现光学外貌的质量靠近传统的抛光要领。有时还有会采用分外的后加工步调，以进一步提高外形或者外貌质量。

各类亚孔径抛光技能还有可以提供很是高精度的自由曲面，包括磁流变抛光（MRF）或者计较机节制的传统研磨抛光。一样，这些可能需要分外的加工步调，如离子束成型 (IBF)，来对于所需的外貌外形举行末了调解。

此外，还有有各类复制要领，从注塑成型及玻璃成型到更繁杂的技能。如今，各类快速成型制造要领 （3D 打印）也于最先利用。

这些要领的问题很简朴。这些要领实现高外貌精度及低外貌粗拙度的都很费时间，并且只能一次天生一个部件。没有措施轻松将它们扩展到能同时加工多个部件。是以，要想多量量出产具备成本竞争力的部件，它们其实不是一个切实可行的可选择方案。

另外一方面，合适批量出产的要领其实不能孕育发生高质量的光学外貌，没有体现出自由曲面的长处。于年夜大都成像使命中，它们的利用年夜多仅限在照明运用。此外，此中一些批量出产要领于启动时会孕育发生年夜量的模具成本。

来自 MKS 的全新自由曲面技能

MKS Newport 现已经开发出自由曲面复制镜面制造技能，冲破了这些传统制造要领的限定，可以批量供给经济、高精度的自由曲面复制镜面。咱们的制造历程简朴了然，并且与其它现有复制技能相似。重要步调以下图 2 所示。咱们已经经拥有富厚的工艺常识及经验。

图 2：自由曲面复制镜面的制造概述

出产高精度产物的要害步调

一、这一历程始在创立一个高品质的母件：凡是经由过程对于金属零件举行五轴金刚石车削加工而成。终极复制的部门将慎密再现母版的外貌，这一步调需精心建造。该母版上的外形与终极所需的外貌外形相反（例如，建造一个凸形母版，以孕育发生凹形复制镜面）

还有需要履行各类后处置惩罚步调，并利用干预干与丈量法及其他计量东西，以到达所需精度的程度。凡是情 况下，方针是实现 /10 至 /20 规模内的外貌精度，以和外貌粗拙度，可与传统制造的光学器件媲美（就预定事情波长而言） 。

二、先于母版的光学外貌涂上一层 " 脱模层 "，然后再用尺度蒸发要领于脱模层上涂上一层镜面涂层。与 Newport 复制工艺兼容的金属反射涂层为铝、UV 加强铝、裸金及受掩护的银。

三、复制光学元件的基板已经建造完成。这些部件可所以任何外形或者情势，除了了光学外貌外，还有可以包括各类支撑布局。将多个复制镜面放置于一个总体基板上也是彻底可能的。最主要的是，复制部件的光学外貌无需到达与母件不异的精度程度。事实上，就外貌精度及外貌粗拙度而言，它们凡是要差 20 - 50 倍。这象征着复成品的基底可以更快地建造出来，成本也年夜年夜低在母件。各类各样的基底质料都与 Newport 复制工艺兼容。这些包括各类金属（如铝，钢，铍及钛），玻璃， 陶瓷，碳化硅及其他复合质料，甚至碳纤维加强聚合物（CFRP）。有了基底，现实复制周期的第一步是于复成品的光学外貌上放置粘合剂。

四、接下来，使母件及复成品接触，并使粘合剂固化。

五、末了掏出母件。金属涂层与粘接剂连结粘接，从母件转移到复成品。粘接剂的粘度使其可以或许填满原始母件外貌及公役小患上多的复成品基底之间的任何 " 漏洞 "。成果是母件的外形以很是高的保真度再现，不管是于整体外貌精度方面还有是外貌粗拙度方面。

如图 3 所示，经由过程此历程消弭了最初存于在复成品基底外貌上的，任何加工标志及中间空间频率引起的外貌偏差。这些复成品部件的典型规格是 /8 外貌精度及 60-40 的划痕-麻点。于这个周期竣事时，母件没有变化，然后可以用来建造更多的副本。是以，可以于短期内，于低成本的基底上出产年夜量高精度零件。这仅需要制 造一个或者几个较高成本、高精度的母件来实现。

图 3：转移工艺前的基底光学外貌（左）显示出较着的东西陈迹及外貌粗拙度。于转移金属涂层（右）后，它是平滑及正确的，公役典型的高精度光学元件。

实现复制镜面的利用自由

MKS Newport 复制工艺可实现高机能自由面复制镜面的批量出产，成本仅为传统上与这些类型组件相干的成本的一小部门。它真正实现了自由曲面反射光学元件的自由化，将持久以来重要与高端军事及航空航天光学相干的技能带入贸易产物设计师手中。

咱们的复制工艺提供的不单单是具备成本效益的自由曲面光学元件。详细来讲，除了了自由曲面自己以外，还有有两个要害的上风：

起首是可以或许集成任何类型的光学元件并安装于单片基底上。这类能力已经经被国防及航空航天设计师利用了一段时间，以制造出比由零丁的光学及机械部件构成的体系更轻，更紧凑，更结实的金属复 制镜面组件。

图 4 显示了一个包罗四个平面镜的单个金属部件－而不是自由曲面。此中一壁镜子上有穿孔。具备如许的总体布局消弭了于组装时期可能会繁杂且耗时的瞄准历程。此外，这个体系永远不会偏离轨道结实耐用。

此外，可用的各类衬底质料，答应体系设计者更高地针对于特定用例或者特定的机能尺度集举行优化。例如，假如重量轻是要害，铝、陶瓷甚至 CFRP 均可以用作基材。假如需要高刚度及高导热性，则可使用碳化硅。

图 4：四镜单片设计，镜面上有一个通孔，用在光束进入体系。

可以或许复制高质量的非球面，以和其他繁杂的组件，如角立方体回射镜，再加之它们与机械布局的无缝集成，极年夜地扩大了体系开发职员的设计范畴。这些功效之前仅限在军事及航空航天范畴的高成本、 一次性利用体系，此刻咱们的工艺所提供的这些功效可惠和广泛的贸易运用。从医疗仪器及情况监测到 LIDAR 及 ADAS 体系，这项技能为立异海潮打开了年夜门，以可接管的成本及交货时间提供解决方案。

Newport 拥有专业常识及多年的经验，可以帮忙您实现光学体系中自由曲面复制镜面的利用自由。接洽 Newport，相识自由曲面复制镜面怎样消弭没必要要的光学约束，以自由设计光学体系。

文章来历：MKS 光电解决方案

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