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自由曲面

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創(chuàng)建者：計(jì)算結(jié)構(gòu)工作室 創(chuàng)建時(shí)間：2019-07-09

自由曲面的視頻教程

UG培訓(xùn)第九課：自由曲面構(gòu)造法
UG培訓(xùn)第九課：自由曲面構(gòu)造法

實(shí)際生產(chǎn)中，當(dāng)設(shè)計(jì)復(fù)雜的零件時(shí)，可以采用自由形狀特征直接生成零件實(shí)體，也可以將自由形狀特征與實(shí)體特征相結(jié)合完成。目前，該方法在飛機(jī)、輪船和汽車工業(yè)的造型設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛。 本視頻的講解的主要內(nèi)容如下： 1.曲線組 2.曲線網(wǎng)格 3.掃掠 4.規(guī)律延伸

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SYNOPSYS | 用 FFBUILD設(shè)計(jì)離軸自由曲面系統(tǒng)
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自由曲面圖1

自由曲面的實(shí)例教程

可見，如果沒有自由曲面光學(xué)，許多新興的光學(xué)技術(shù)將無法實(shí)現(xiàn)。 汽車投影透鏡 自由曲面光學(xué)的類型 如今，用于光學(xué)系統(tǒng)的非球形表面在不斷增加，可供選擇的幾何結(jié)構(gòu)比以往任何時(shí)候都更加復(fù)雜。非球面表面（aspheres，非球面）是最早開發(fā)出來的非球形表面透鏡類型。如今，人們可以設(shè)計(jì)和制造非對稱自由曲面，為高級(jí)光學(xué)和光子學(xué)應(yīng)用提供更多功能。 非球面透鏡的表面輪廓 自由曲面光學(xué)元件是高性能光學(xué)表面，具有非對稱性和非恒定曲率，其幾何結(jié)構(gòu)比非球面更為復(fù)雜。這是一個(gè)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(jù)透鏡表面幾何結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)描述命名的。 在每類自由曲面中，只要滿足對應(yīng)的數(shù)學(xué)函數(shù)，就可以存在多種不同的表面幾何結(jié)構(gòu)。 目前一些常用的自由曲面包括： XY多項(xiàng)式 Zernike多項(xiàng)式 Chebychev多項(xiàng)式 Q型自由曲面 自由曲面透鏡的表面輪廓 光學(xué)系統(tǒng)所使用的自由曲面類型，取決于系統(tǒng)的需求和最終應(yīng)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(chuàng)建許多XY多項(xiàng)式。 Zernike自由曲面是設(shè)計(jì)人員的常用選擇，因?yàn)樗鼈兪怯刹煌哪K化 “積木” 組合而成的，從而可以根據(jù)具體應(yīng)用需求獲得具有不同自由度的自由曲面形態(tài)。不同的組合可能性，使Zernike成為了許多自由曲面光學(xué)應(yīng)用的通用選項(xiàng)。 由于Zernike構(gòu)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(shè)計(jì)更依賴于XY多項(xiàng)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(shè)計(jì)，我們可以使用Ansys軟件解決方案對其進(jìn)行設(shè)計(jì)。這類設(shè)計(jì)，是應(yīng)最終用戶的直接要求而開發(fā)的。
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自由曲面定義： MLC of SCRC：指具有最小凹曲率半徑（SCRC）區(qū)域的最大局部橫截面（MLC）。請參考自由曲面標(biāo)準(zhǔn)圖紙，a) 若已知MLC，請輸入SCRC處的MLC（單位：mm）；b) 若局部曲率半徑沿通光孔徑連續(xù)變化（即dR/(dx, dy) ≠ 0），請輸入0.01毫米（此為CNC編程中數(shù)據(jù)點(diǎn)間距的典型增量值）。 localSag at SCRC；指在最小凹曲率半徑（SCRC）所在點(diǎn)z(x,y)處的局部矢高。請參考自由曲面標(biāo)準(zhǔn)圖紙。 對于自由曲面的中心厚度，請輸入自由曲面最大矢高（Sag）下方對應(yīng)的局部最小透鏡厚度—“gauge”（厚度基準(zhǔn)）。 對于自由曲面光學(xué)系統(tǒng)的4/定心精度，軟件當(dāng)前沒有指定4/定心精度，需要在鏡片的另一側(cè)輸入4/定心精度。目前，也沒有為自由曲面生成中心研磨成本。 請注意，目前軟件也沒有考慮匹配（a）機(jī)器和（b）測試設(shè)備和（c）安裝設(shè)置的坐標(biāo)系所需的基準(zhǔn)設(shè)置成本。 輸入?yún)?shù)：
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附件下載 聯(lián)系工作人員獲取附件 在OpticStusio的序列和非序列模式中，我們可以使用各式的工具進(jìn)行自由曲面的光學(xué)設(shè)計(jì)。本文中，我們提供了一個(gè)以切比雪夫多項(xiàng)式表面（Chebyshev Polynomial surface）設(shè)計(jì)出離軸拋物面的范例，且此系統(tǒng)是在系列模式中進(jìn)行設(shè)計(jì)的。另外，在OpticStudio的序列模式中有超過20種自由曲面供選擇，本文將提到鏡頭數(shù)據(jù)編輯器（Lens Data Editor）中一些好用的篩選功能，可以協(xié)助設(shè)計(jì)者根據(jù)不同的應(yīng)用決定適合的自由曲面。 簡介 相較于傳統(tǒng)的球形光學(xué)原件，自由曲面是一種復(fù)雜、且擁有更大設(shè)計(jì)自由度的表面。雖然在制程上較為困難，但自由曲面的使用可以大幅的減少系統(tǒng)的體積。自由曲面可被應(yīng)用在各式不同的領(lǐng)域，天線、激光光束整形器（laser beam shaper）和哈伯太空望遠(yuǎn)鏡等的設(shè)計(jì)中，早已可見自由曲面的蹤跡。 OpticStudio提供了許多好用的功能，供用戶在序列和非序列模式中進(jìn)行自由曲面的設(shè)計(jì)。這篇文章，我們會(huì)在序列模式中以切比雪夫多項(xiàng)式表面設(shè)計(jì)出離軸拋物面。同時(shí)，我們還會(huì)討論如何快速的針對不同系統(tǒng)找出適合的自由曲面種類。 切比雪夫多項(xiàng)式表面(Chebyshev Polynomial surface) 在眾多OpticStudio的自由曲面選擇中，唯獨(dú)此表面是由切比雪夫多項(xiàng)式 （Chebyshev Polynomial）所定義的。這種類型的多項(xiàng)式的項(xiàng)次在歸一化方形孔徑上彼此正交，代表構(gòu)成表面幾何形狀的系數(shù)呈線性獨(dú)立。如此一來，當(dāng)我們對表面的幾何關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，將不再受到局部最小值（local minima）的限制。與非球面的系統(tǒng)相比，自由曲面的設(shè)計(jì)過程可因此而變得更直觀。此外，切比雪夫多項(xiàng)式是由卡氏坐標(biāo)推導(dǎo)出的，而多數(shù)的多項(xiàng)式自由曲面則用于描述旋轉(zhuǎn)對稱的系統(tǒng)。
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在 OpticStusio 的序列和非序列模式中，我們可以使用各式的工具進(jìn)行自由曲面的光學(xué)設(shè)計(jì)。本文中，我們提供了一個(gè)以切比雪夫多項(xiàng)式表面（Chebyshev Polynomial surface）設(shè)計(jì)出離軸拋物面的示例，且此系統(tǒng)是在系列模式中進(jìn)行設(shè)計(jì)的。另外，在 OpticStudio 的序列模式中有超過20種自由曲面供選擇，本文將提到鏡頭數(shù)據(jù)編輯器（Lens Data Editor）中一些好用的篩選功能，可以協(xié)助設(shè)計(jì)者根據(jù)不同的應(yīng)用決定適合的自由曲面。 下載 聯(lián)系工作人員獲取附件 簡介 相較于傳統(tǒng)的球形光學(xué)原件，自由曲面是一種復(fù)雜、且擁有更大設(shè)計(jì)自由度的表面。雖然在制程上較為困難，但自由曲面的使用可以大幅地減少系統(tǒng)的體積。自由曲面可被應(yīng)用在各式不同的領(lǐng)域，天線、激光光束整形器（laser beam shaper）和哈伯太空望遠(yuǎn)鏡等的設(shè)計(jì)中，早已可見自由曲面的蹤跡1。 OpticStudio 提供了許多好用的功能，供使用者在序列和非序列模式中進(jìn)行自由曲面的設(shè)計(jì)。這篇文章，我們會(huì)在序列模式中以切比雪夫多項(xiàng)式表面設(shè)計(jì)出離軸拋物面。同時(shí)，我們還會(huì)討論如何快速地針對不同系統(tǒng)找出適合的自由曲面種類。 切比雪夫多項(xiàng)式表面(Chebyshev Polynomial surface) 在眾多OpticStudio的自由曲面選擇中，唯獨(dú)此表面是由切比雪夫多項(xiàng)式（Chebyshev Polynomial）所定義的。這種類型的多項(xiàng)式的項(xiàng)次在歸一化方形孔徑上彼此正交，代表構(gòu)成表面幾何形狀的系數(shù)呈線性獨(dú)立。如此一來，當(dāng)我們對表面的幾何關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，將不再受到局部最小值（local minima）的限制。與非球面的系統(tǒng)相比，自由曲面的設(shè)計(jì)過程可因此而變得更直觀。此外，切比雪夫多項(xiàng)式是由卡氏坐標(biāo)推導(dǎo)出的，而多數(shù)的多項(xiàng)式自由曲面則用于描述旋轉(zhuǎn)對稱的系統(tǒng)。
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自由曲面定義： MLC of SCRC：指具有最小凹曲率半徑（SCRC）區(qū)域的最大局部橫截面（MLC）。請參考自由曲面標(biāo)準(zhǔn)圖紙，a) 若已知MLC，請輸入SCRC處的MLC（單位：mm）；b) 若局部曲率半徑沿通光孔徑連續(xù)變化（即dR/(dx, dy) ≠ 0），請輸入0.01毫米（此為CNC編程中數(shù)據(jù)點(diǎn)間距的典型增量值）。 localSag at SCRC；指在最小凹曲率半徑（SCRC）所在點(diǎn)z(x,y)處的局部矢高。請參考自由曲面標(biāo)準(zhǔn)圖紙。 對于自由曲面的中心厚度，請輸入自由曲面最大矢高（Sag）下方對應(yīng)的局部最小透鏡厚度—“gauge”（厚度基準(zhǔn)）。 對于自由曲面光學(xué)系統(tǒng)的4/定心精度，軟件當(dāng)前沒有指定4/定心精度，需要在鏡片的另一側(cè)輸入4/定心精度。目前，也沒有為自由曲面生成中心研磨成本。 請注意，目前軟件也沒有考慮匹配（a）機(jī)器和（b）測試設(shè)備和（c）安裝設(shè)置的坐標(biāo)系所需的基準(zhǔn)設(shè)置成本。 輸入?yún)?shù)：
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自由曲面圖2

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自由曲面的最新內(nèi)容

離開液晶面板（LCD）的光線被一個(gè)平面鏡反射，進(jìn)入一個(gè)自由曲面鏡。 由自由曲面鏡反射的光線再次被平面鏡反射，然后進(jìn)入擋風(fēng)玻璃。 在這樣的光學(xué)系統(tǒng)中，入瞳是駕駛員的眼睛。 如果光線從LCD開始，光瞳位于許多鏡面之外，這就很難找到光瞳的位置。出于這個(gè)原因，在這種情況下使用了逆向追跡。
在AR光柵波導(dǎo)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，Zemax的核心優(yōu)勢體現(xiàn)在： 精準(zhǔn)的光學(xué)建模：支持光柵、波導(dǎo)、自由曲面等多種新型光學(xué)元件的建模，可精準(zhǔn)模擬光在復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)中的傳播規(guī)律； 全面的成像評(píng)價(jià)：提供MTF、畸變、照度均勻性、點(diǎn)列圖等豐富的成像質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)，滿足AR近眼顯示的高精度成像驗(yàn)證需求； 高效的優(yōu)化能力：支持多種優(yōu)化算法，可結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)目標(biāo)對光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行快速優(yōu)化，大幅縮短研發(fā)周期； 良好的兼容性
問題解決：基于光度目標(biāo)的高效設(shè)計(jì)優(yōu)化，包含自由曲面組件和造型約束。 行業(yè)：汽車 Ansys產(chǎn)品工作流程：Speos特有 目標(biāo)受眾：光學(xué)工程師 光學(xué)設(shè)計(jì)交換 功能：OpticStudio和Speos之間的光學(xué)設(shè)計(jì)交換(ODX)數(shù)據(jù)交換集成到Siemens NX中。
2.2 硬件層之一：自由曲面——高自由度的靜態(tài)相位編碼 自由曲面是威睛光學(xué)硬件三層中最成熟、已進(jìn)入商業(yè)化的一層。它打破傳統(tǒng)球面透鏡的旋轉(zhuǎn)對稱限制，能在不同方向上擁有各獨(dú)立的曲率分布——這意味著可以在單一元件表面完成過去需多片球面鏡組才能實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜光路折疊和像差校正。 在威睛的相位調(diào)制體系中，自由曲面承擔(dān)著靜態(tài)相位編碼器的職責(zé)。
兩階段算法，精確再現(xiàn)乘員坐下過程中座椅的壓縮路徑 支持 MAT_LOW_DENSITY_FOAM等 LS-DYNA 主流座椅材料模型 預(yù)壓收斂判據(jù)可配置：基于體積變化率或節(jié)點(diǎn)位移雙重標(biāo)準(zhǔn)； 預(yù)壓完成后自動(dòng)導(dǎo)出包含初始應(yīng)力場的 stress-initialized 模型； 支持多區(qū)域獨(dú)立預(yù)壓（坐墊區(qū)、靠背區(qū)分別設(shè)置壓縮率）； 1泡沫網(wǎng)格準(zhǔn)備 自動(dòng)識(shí)別座椅發(fā)泡部件，提取自由曲面作為接觸主面
目前一些常用的自由曲面包括： XY多項(xiàng)式 Zernike多項(xiàng)式 Chebychev多項(xiàng)式 Q型自由曲面 自由曲面透鏡的表面輪廓 光學(xué)系統(tǒng)所使用的自由曲面類型，取決于系統(tǒng)的需求和最終應(yīng)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(chuàng)建許多XY多項(xiàng)式。
兩階段算法，精確再現(xiàn)乘員坐下過程中座椅的壓縮路徑 支持 MAT_LOW_DENSITY_FOAM等 LS-DYNA 主流座椅材料模型 預(yù)壓收斂判據(jù)可配置：基于體積變化率或節(jié)點(diǎn)位移雙重標(biāo)準(zhǔn)； 預(yù)壓完成后自動(dòng)導(dǎo)出包含初始應(yīng)力場的 stress-initialized 模型； 支持多區(qū)域獨(dú)立預(yù)壓（坐墊區(qū)、靠背區(qū)分別設(shè)置壓縮率）； 1泡沫網(wǎng)格準(zhǔn)備 自動(dòng)識(shí)別座椅發(fā)泡部件，提取自由曲面作為接觸主面
[9] 自由曲面光學(xué)的概念可追溯至20世紀(jì)末，最早應(yīng)用于航天遙感、天文望遠(yuǎn)鏡等對像差校正要求極高的領(lǐng)域。當(dāng)光線穿過自由曲面透鏡時(shí)，空間變化的光程直接轉(zhuǎn)化為對光波相位的精確調(diào)控。與超構(gòu)表面的“微觀離散”相位調(diào)控不同，自由曲面在宏觀連續(xù)尺度上通過表面雕琢塑造波前。[10] 在制造工藝方面，自由曲面光學(xué)的量產(chǎn)路徑分為兩條。
HUD 由兩面鏡子組成：一面平面鏡，還有一面是自由曲面。鏡子的優(yōu)點(diǎn)在于不會(huì)在成像系統(tǒng)中引入任何色差。自由曲面的鏡子還需要進(jìn)行優(yōu)化。 為了方便起見，我們建立了一個(gè)模板，其中包含了所有初始元素以及整個(gè)擋風(fēng)玻璃的自由曲面模型。擋風(fēng)玻璃由擴(kuò)展多項(xiàng)式面型模擬。讓我們一起來看看這個(gè)文件是如何建立的。
OAS的自由曲面設(shè)計(jì)模塊采用了高階數(shù)據(jù)擬合算法，允許工程師直接定義目標(biāo)區(qū)域的光強(qiáng)分布曲線，軟件自動(dòng)反推出最優(yōu)的曲面參數(shù)。 ?反向追跡與雜散光分析，讓樣機(jī)迭代一次性做對 OAS的反向追跡功能，允許工程師在仿真階段就精確定位每一束光線的路徑。配合BSDF散射模型，OAS還能精確模擬材料表面的散射效應(yīng)。