ansys自由曲面建模的案例
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隱形眼鏡的建模技術(shù)，或?qū)⒅?em>自由曲面鏡片3D打印商業(yè)化？
3D科學(xué)谷Review
不管是定制化自由曲面隱形眼鏡，還是自由曲面鏡片，這里面都涉及到了極高的掃描、建模、材料和打印技術(shù)水平。
根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀(guān)察，國(guó)內(nèi)摩方材料與同仁醫(yī)院眼科建立了合作關(guān)系，雙方利用微納3D打印技術(shù)生產(chǎn)低成本、定制化的自由曲面鏡片，以滿(mǎn)足每位患者的處方需要。
此類(lèi)自由曲面鏡片用傳統(tǒng)工藝很難實(shí)現(xiàn)、造價(jià)不菲，根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，摩方科技的微納3D打印技術(shù)制造這類(lèi)鏡片的成本則與普通鏡片差不多。
摩方材料與Luxexcel 在3D打印技術(shù)的基礎(chǔ)上各自形成了自身的光學(xué)鏡片制造技術(shù)，如摩方材料提出“五度間隔、兩度公差”的精準(zhǔn)驗(yàn)光理念，將先進(jìn)視光功能鏡片設(shè)計(jì)與微納米高精密3D打印技術(shù)相結(jié)合，為自由曲面鏡片的加工方式增加更多可能性；根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀(guān)察，Luxexcel 擁有專(zhuān)利的Printoptical技術(shù)，原理是“連續(xù)不斷地?cái)D出極微小的材料液滴，然后通過(guò)紫外光固化”，據(jù)稱(chēng)造出的光學(xué)產(chǎn)品無(wú)需拋光或研磨就能直接使用，Luxexcel +1.00 and -3.25-鏡片完全達(dá)到了ISO 8980-1:2004焦點(diǎn)功率標(biāo)準(zhǔn)的要求。
雖然目前基于3D打印技術(shù)的眼鏡定制服務(wù)或受到價(jià)格、眼鏡商轉(zhuǎn)型意識(shí)等原因的限制而尚未在市場(chǎng)上得到廣泛推廣，但不可否認(rèn)是，基于3D打印技術(shù)的眼鏡定制模式極具成長(zhǎng)空間。3D打印技術(shù)以及相關(guān)數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)為用戶(hù)帶來(lái)的前所未有的交互式配鏡體驗(yàn)，以及這些技術(shù)在實(shí)現(xiàn)眼鏡鏡架、鏡片精準(zhǔn)定制方面的能力，有望全面解決消費(fèi)者尚未被滿(mǎn)足的眼鏡定制化需求。
展開(kāi) Ansys Zemax | 確保自由曲面設(shè)計(jì)的可制造性
本文專(zhuān)門(mén)介紹使用單點(diǎn)金剛石車(chē)床加工自由曲面的主要可制造性參數(shù)，解釋了可制造性參數(shù)如何與儀器參數(shù)相關(guān)聯(lián)，并展示了如何在 OpticStudio 中檢查和控制這些可制造性參數(shù)。此外，還解釋了如何處理其考察區(qū)域外的自由曲面的行為。例如，使用塑料自由曲面透鏡（Alvarez透鏡元件）等。
表面參數(shù)控制
鏡頭加工中需要進(jìn)行控制的表面參數(shù)將取決于加工方法和設(shè)備。加工塑料光學(xué)元件最流行和最廣泛使用的方法之一是使用 三軸金剛石車(chē)床（圖 1）進(jìn)行直接切割，或者更常見(jiàn)的是利用切割模具來(lái)加工透鏡。
圖1. 三軸金剛石切割機(jī)（左） 金剛石切割刀具（右）
傾斜角度
讓我們看一下儀器的局限性（圖 2）。刀具的側(cè)面傾角限制了沿任何徑向橫截面的最大可能斜切角。由于這樣的徑向橫截面與子午面重合，因此相應(yīng)的斜率在 OpticStudio 中稱(chēng)為“子午斜率”。相對(duì)而言，旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)表面子午斜率對(duì)于自由曲面而言，沿不同的徑向截面具有不同的分布。
另一個(gè)參數(shù)是 “弧矢斜率” 角度。當(dāng)我們?cè)谌S金剛石車(chē)床上加工自由曲面時(shí)，刀具在工件的每一圈都沿 Z 軸來(lái)回移動(dòng)，以加工非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)形狀的透鏡。在這種情況下，刀具的后角限制了表面沿鏡頭上每個(gè)圓圈變化的速度，這稱(chēng)為弧矢斜率。更準(zhǔn)確地說(shuō)，刀具在表面上產(chǎn)生螺旋軌跡，但螺旋的步長(zhǎng)非常小，在大多數(shù)情況下，可以將刀具軌跡視為一系列圓圈。對(duì)于旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)鏡片，弧矢斜率剛好為零。
圖 2. 子午和弧矢斜率，黃線(xiàn)表示沿哪個(gè)方向測(cè)量斜率
有時(shí)，從加工的角度來(lái)看，將工件放置在平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)軸之外而不是沿軸放置是合理的，這樣刀具在工件上的軌跡看起來(lái)幾乎是直線(xiàn)。在這種情況下，我們應(yīng)該控制所謂的 “X斜率” 和 “Y斜率”（圖3）。
圖3.
展開(kāi) 
Ansys Zemax | 確保自由曲面設(shè)計(jì)的可制造性
概要
本文專(zhuān)門(mén)介紹使用單點(diǎn)金剛石車(chē)床加工自由曲面的主要可制造性參數(shù)，解釋了可制造性參數(shù)如何與儀器參數(shù)相關(guān)聯(lián)，并展示了如何在 OpticStudio 中檢查和控制這些可制造性參數(shù)。此外，還解釋了如何處理其考察區(qū)域外的自由曲面的行為。例如，使用塑料自由曲面透鏡（Alvarez透鏡元件）等。
表面參數(shù)控制
鏡頭加工中需要進(jìn)行控制的表面參數(shù)將取決于加工方法和設(shè)備。加工塑料光學(xué)元件最流行和最廣泛使用的方法之一是使用 三軸金剛石車(chē)床（圖 1）進(jìn)行直接切割，或者更常見(jiàn)的是利用切割模具來(lái)加工透鏡。
圖1. 三軸金剛石切割機(jī)（左） 金剛石切割刀具（右）
傾斜角度
讓我們看一下儀器的局限性（圖 2）。刀具的側(cè)面傾角限制了沿任何徑向橫截面的最大可能斜切角。由于這樣的徑向橫截面與子午面重合，因此相應(yīng)的斜率在 OpticStudio 中稱(chēng)為“子午斜率”。相對(duì)而言，旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)表面子午斜率對(duì)于自由曲面而言，沿不同的徑向截面具有不同的分布。
另一個(gè)參數(shù)是 “弧矢斜率” 角度。當(dāng)我們?cè)谌S金剛石車(chē)床上加工自由曲面時(shí)，刀具在工件的每一圈都沿 Z 軸來(lái)回移動(dòng)，以加工非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)形狀的透鏡。在這種情況下，刀具的后角限制了表面沿鏡頭上每個(gè)圓圈變化的速度，這稱(chēng)為弧矢斜率。更準(zhǔn)確地說(shuō)，刀具在表面上產(chǎn)生螺旋軌跡，但螺旋的步長(zhǎng)非常小，在大多數(shù)情況下，可以將刀具軌跡視為一系列圓圈。對(duì)于旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)鏡片，弧矢斜率剛好為零。
圖 2. 子午和弧矢斜率，黃線(xiàn)表示沿哪個(gè)方向測(cè)量斜率
有時(shí)，從加工的角度來(lái)看，將工件放置在平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)軸之外而不是沿軸放置是合理的，這樣刀具在工件上的軌跡看起來(lái)幾乎是直線(xiàn)。在這種情況下，我們應(yīng)該控制所謂的 “X斜率” 和 “Y斜率”（圖3）。
圖3.
展開(kāi) Ansys Zemax | 利用 TrueFreeForm 面進(jìn)行網(wǎng)格自由曲面的優(yōu)化
實(shí)際案例-TrueFreeForm 面網(wǎng)格優(yōu)化
設(shè)置
在這個(gè)范例中，我們利用將以一個(gè)具有自由曲面楔形棱鏡的頭戴式透視顯示器（optical see-through head mounted display）進(jìn)行設(shè)計(jì)，此光學(xué)系統(tǒng)參考了Gao C. 和Hua H.的專(zhuān)利（EP3270194A1）。顯示器中的NIR（近紅外光）人眼追跡系統(tǒng)包含了三個(gè)相同的光學(xué)表面，和一個(gè)用于聚焦的楔形單透鏡。一開(kāi)始，我們以擴(kuò)展多項(xiàng)式（extended polynomial）的方式在OpticStudio中建立三個(gè)面。由于TrueFreeForm面也能支持?jǐn)U展多項(xiàng)式函數(shù)，所以可以此作為設(shè)計(jì)的起點(diǎn)。接著，我們將進(jìn)行微顯示器的優(yōu)化和人眼追跡系統(tǒng)的嵌入。在這些過(guò)程中，我們還不會(huì)對(duì)參數(shù)式自由曲面的光學(xué)表面進(jìn)行校正。
注意，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)我們忽略了光學(xué)系統(tǒng)中的透視（see-through）結(jié)構(gòu)，并且只以單一波長(zhǎng)的入射光進(jìn)行優(yōu)化。
此外，一開(kāi)始的光學(xué)表面優(yōu)化是以顯示器系統(tǒng)的成像為目標(biāo)，而忽略了人眼追跡系統(tǒng)的表現(xiàn)。因此在優(yōu)化結(jié)果的呈現(xiàn)上，F(xiàn)/3 NIR光學(xué)系統(tǒng)會(huì)有不錯(cuò)的影像質(zhì)量，但NIR人眼追跡系統(tǒng)則不然。我們可以在下方的MTF圖中看到以完整FOV取樣的結(jié)果，以及NIR人眼追跡系統(tǒng)中所有視場(chǎng)的像散。后者的平均像散約為1.4個(gè)波，并在整個(gè)FOV具有1.42個(gè)波的RMS平均波前誤差。
為了得到各系統(tǒng)較平衡的結(jié)果，我們可以重新對(duì)三個(gè)自由曲面進(jìn)行優(yōu)化。但要注意的是，任何增進(jìn)NIR人眼追跡系統(tǒng)影像質(zhì)量的改變，都將對(duì)顯示器系統(tǒng)的成像造成負(fù)面的影響。此時(shí)，改以TrueFreeForm面進(jìn)行設(shè)計(jì)便成了一個(gè)更好的選項(xiàng)。如果用戶(hù)想在不犧牲顯示器成像質(zhì)量的情況下改善人眼追跡系統(tǒng)，可以由S3 （即棱鏡最上方的面）的子孔徑優(yōu)化著手。
展開(kāi) Ansys Zemax | 在 OpticStudio 中使用自由曲面進(jìn)行設(shè)計(jì)
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(guò)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(jiǎn)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(xiàn)、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(jiàn)自由曲面的蹤跡1。
OpticStudio提供了許多好用的功能，供用戶(hù)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(duì)不同系統(tǒng)找出適合的自由曲面種類(lèi)。
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(lèi)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(xiàn)性獨(dú)立。如此一來(lái)，當(dāng)我們對(duì)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(guò)程可因此而變得更直觀(guān)。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(duì)稱(chēng)的系統(tǒng)。
展開(kāi) Ansys Zemax | 在 OpticStudio 中使用自由曲面進(jìn)行設(shè)計(jì)
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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(guò)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(jiǎn)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(xiàn)、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(jiàn)自由曲面的蹤跡。
OpticStudio提供了許多好用的功能，供用戶(hù)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(duì)不同系統(tǒng)找出適合的自由曲面種類(lèi)。
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(lèi)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(xiàn)性獨(dú)立。如此一來(lái)，當(dāng)我們對(duì)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(guò)程可因此而變得更直觀(guān)。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(duì)稱(chēng)的系統(tǒng)。
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