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仿真、模擬、有限元分析、多物理場……這些術語是不是早已成為每位仿真人的“日常”？大家是否知曉其背后的技術原理和演進趨勢，正深刻地改變著世界？Ansys全新推出【Simulation Topics】系列專題，邀您一起探索仿真世界。本專題將以 “一期一會” 的形式，攜手各領域專家，圍繞Ansys全產品線的技術優勢，帶您深入解析流體、結構、電子設計及電磁仿真、光學、光子學、半導體、自動駕駛、汽車、聲學、航空航天、材料等多個關鍵領域，讓復雜的專業知識觸手可及。

光學組件有多種形狀和尺寸。傳統透鏡呈球面形狀，最初是唯一可制造的光學表面類型。不過，隨著時間的推移，已出現了具有復雜曲率和先進光學屬性的非球面光學表面。

球面透鏡的表面輪廓

對于傳統上具有大量透鏡或離軸組件的光學系統而言，自由曲面光學是一種理想方法?，F代透鏡設計、光學工程和光學制造，使構建更復雜的創新元件成為了可能，從而能在提高緊湊性的同時實現更好的光學性能。

為什么需要自由曲面光學？

許多新的光學系統需要實現小型化，但將多個透鏡集成在光學系統中可能會影響其光學和圖像質量。與球面透鏡相比，自由曲面光學方法不僅能提供更好的光學性能，而且還可以減少光學元件中所需的透鏡、反射器或反射鏡的數量。該方法不僅使制造商能夠創建更小的光學組件，還提供了一種消除光學像差的方法。得益于這些優勢，自由曲面光學已被廣泛應用于航空航天、汽車和消費類電子等行業。

自由曲面光學的一些關鍵應用包括：

• 抬頭顯示器（HUD）
• 望遠鏡
• 成像系統
• 光束整形和照明應用
• 汽車前照燈
• 紅外透鏡
• AR/VR頭戴式顯示設備
• 衍射光學
• 像差波前

雖然自由曲面光學設計有時是為了優化和改善光學系統的現狀，但如果沒有自由曲面，許多應用將不具備商業可行性。

例如，衛星上使用的望遠鏡需要多個反射鏡來引導光線。如果在縮小望遠鏡尺寸時未采用自由曲面，圖像質量將會受到影響。因此，如果沒有自由曲面光學，幾乎不可能開發出先進的望遠鏡。

HUD也需要通過自由曲面光學技術來獲得良好性能，因為其反射光學組件無法安裝在車輛儀表板下方。這些系統需要的反射鏡的數量比目前要多得多，而且不太可能安裝在指定空間中。

自由曲面光學技術還可用于車輛外部照明，其能提供最佳的光線路徑，不僅不會照到道路另一側的駕駛員，而且所需的組件更少。該技術還能被用于汽車后視鏡中，為駕駛員提供廣闊的視野；同時，由于AR/VR頭戴式顯示設備對高性能和緊湊組件的需求，自由曲面光學的應用已在該領域變得無處不在。可見，如果沒有自由曲面光學，許多新興的光學技術將無法實現。

汽車投影透鏡

自由曲面光學的類型

如今，用于光學系統的非球形表面在不斷增加，可供選擇的幾何結構比以往任何時候都更加復雜。非球面表面（aspheres，非球面）是最早開發出來的非球形表面透鏡類型。如今，人們可以設計和制造非對稱自由曲面，為高級光學和光子學應用提供更多功能。

非球面透鏡的表面輪廓

自由曲面光學元件是高性能光學表面，具有非對稱性和非恒定曲率，其幾何結構比非球面更為復雜。這是一個廣泛的分類，涵蓋許多不同類型的自由曲面，而這些自由曲面是根據透鏡表面幾何結構的數學描述命名的。

在每類自由曲面中，只要滿足對應的數學函數，就可以存在多種不同的表面幾何結構。

目前一些常用的自由曲面包括：

• XY多項式
• Zernike多項式
• Chebychev多項式
• Q型自由曲面

自由曲面透鏡的表面輪廓

光學系統所使用的自由曲面類型，取決于系統的需求和最終應用。由于自由曲面透鏡表面輪廓中存在潛在的x和y變化，因此可以創建許多XY多項式。

Zernike自由曲面是設計人員的常用選擇，因為它們是由不同的模塊化 “積木” 組合而成的，從而可以根據具體應用需求獲得具有不同自由度的自由曲面形態。不同的組合可能性，使Zernike成為了許多自由曲面光學應用的通用選項。

由于Zernike構建模塊具有圓形特性，因此，對于需要明顯左右或上下不對稱、矩形形狀的透鏡，其設計更依賴于XY多項式和Chebychev表面曲線。Q型自由曲面是一種較新的自由曲面透鏡設計，我們可以使用Ansys軟件解決方案對其進行設計。這類設計，是應最終用戶的直接要求而開發的。

自由曲面光學制造與設計

自由曲面光學元件雖然是通過仿真設計的，但根據用于制造透鏡的材料不同，其制造工藝也各不相同。對于許多自由曲面光學元件（例如包含金屬的基板），用于制造透鏡的工具包括數控加工和金剛石車削（也稱為金剛石加工）。

金剛石車削原理圖

在金剛石車削中，金剛石尖端會在各個方向上非?？焖俚剞D動，以去除透鏡上任何不必要的材料，并確定透鏡的表面輪廓。對于塑料光學元件，可以使用一系列注塑成型選項（包括金剛石車削模具插件）來制作具有特定幾何結構的自由曲面。然后，通過計量和干涉儀技術確定表面粗糙度以及其他表面和光學屬性，以確保透鏡性能良好并具備所需的光學特性。

金剛石切割儀器

主要的制造難題，在于工藝與設計方法中概述的屬性之間的容差。高度優化的仿真設計是光學系統的理想版本，但當開始制造這些組件時，制造工藝的容差會影響最終產品的屬性和表面形狀。

根據所采用的制造工藝不同，會存在不同的制造限制。因此，設計流程需要具有穩健性，并在設計階段考慮這些潛在容差，以確保所設計光學組件和制造的組件之間不存在性能脫節。

使用先進仿真軟件設計自由曲面光學

先進仿真工具可用于設計任何類型的光學元件：球面、非球面或自由曲面。Ansys Zemax OpticStudio軟件和Ansys Speos軟件等Ansys解決方案可以針對不同應用輕松對不同類型的自由曲面進行仿真。雖然目前自由曲面的選擇由工程師手動完成，但在未來，該選擇過程可能會由AI算法自動處理。

自由曲面選擇

Ansys Zemax OpticStudio自由曲面應用

OpticStudio軟件是一款設計自由曲面光學系統的高效工具，因為它包含內置序列模式，無需手動選擇設計中的每個表面，即可實現成像系統設計。Speos軟件可用于在設計階段確定復雜的照明模式。

OpticStudio軟件內置了用于自由曲面設計的約束條件，這些約束可以幫助設計方案適應制造商的能力和具體制造工藝的公差要求。此外，OpticStudio軟件還包含真正的自由曲面選項，該選項不依賴于特定的數學函數進行優化和容差計算，使工程師能夠通過在設計中操縱網格控制點來創建真正的自由曲面。

Ansys仿真還考慮了自由曲面光學元件所處的更廣泛的環境參數，例如局部壓力和溫度，以便用戶全面了解元件的性能表現。

真正的自由曲面

先進仿真工具使工程師能夠更改自由曲面設計的參數，以了解其如何影響光學組件的實際性能，包括考慮由制造工藝引發的可能的不規則性。仿真使工程師能夠了解其系統是否將通過質量控制、達到預期的性能目標，并確定其產品是否可以大規模制造。

Ansys擁有廣泛的仿真工具，可用于對各種可能出現的自由曲面光學情況進行建模。Ansys解決方案提供了一種強大的光學組件設計方法，可考慮物理產品的制造以及制造過程中可能存在的任何容差和靈敏度方面的問題。