自由曲面光學(xué)設(shè)計(jì)
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2026-01-04
自由曲面光學(xué)設(shè)計(jì)的視頻教程
SYNOPSYS | 用 FFBUILD設(shè)計(jì)離軸自由曲面系統(tǒng)
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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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creo/proe機(jī)械設(shè)計(jì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)曲面造型設(shè)計(jì)從入門到精通設(shè)計(jì)視頻教程
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自由曲面光學(xué)設(shè)計(jì)的實(shí)例教程
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。
自由曲面光學(xué)制造與設(shè)計(jì)
自由曲面光學(xué)元件雖然是通過仿真設(shè)計(jì)的，但根據(jù)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(xué)元件（例如包含金屬的基板），用于制造透鏡的工具包括數(shù)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(gè)方向上非常快速地轉(zhuǎn)動(dòng)，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(xué)元件，可以使用一系列注塑成型選項(xiàng)（包括金剛石車削模具插件）來制作具有特定幾何結(jié)構(gòu)的自由曲面。然后，通過計(jì)量和干涉儀技術(shù)確定表面粗糙度以及其他表面和光學(xué)屬性，以確保透鏡性能良好并具備所需的光學(xué)特性。
金剛石切割儀器
主要的制造難題，在于工藝與設(shè)計(jì)方法中概述的屬性之間的容差。高度優(yōu)化的仿真設(shè)計(jì)是光學(xué)系統(tǒng)的理想版本，但當(dāng)開始制造這些組件時(shí)，制造工藝的容差會影響最終產(chǎn)品的屬性和表面形狀。
根據(jù)所采用的制造工藝不同，會存在不同的制造限制。因此，設(shè)計(jì)流程需要具有穩(wěn)健性，并在設(shè)計(jì)階段考慮這些潛在容差，以確保所設(shè)計(jì)光學(xué)組件和制造的組件之間不存在性能脫節(jié)。
使用先進(jìn)仿真軟件設(shè)計(jì)自由曲面光學(xué)
先進(jìn)仿真工具可用于設(shè)計(jì)任何類型的光學(xué)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(yīng)用輕松對不同類型的自由曲面進(jìn)行仿真。
展開 課程三十九：設(shè)計(jì)自由曲面反射系統(tǒng)
SYNOPSYS 提供可以簡化設(shè)計(jì)自由曲面的過程。閱讀幫助文件中的 FFBUILD。我們將展示如何設(shè)計(jì)一個(gè)具有自由曲面的反射系統(tǒng)。
第一步是初略的列出幾何圖形。這里有一個(gè)離軸三反鏡的例子:
光將從表面1的左側(cè)進(jìn)入，打到 2,3 和 4 的反射鏡，然后進(jìn)入 5 處的像面。這是 FFBUILD 的輸入：
FFBUILD
SYSTEM
ID EXAMPLE FFBUILD
OBB 0 2 12 2 2
WAVL CDF
UNI MM
CFOV
END
GEOM
2 MIRROR 0 0 140
3 MIRROR 0 40 30
4 MIRROR 0 40 120
5 IMAGE 0 -30 60 -7 7
END
SHAPES
2 ZERN
3 ZERN
4 ZERN
END
在這個(gè)例子中，反射鏡將被分配 Zernike 多項(xiàng)式，它接受多達(dá) 36 個(gè)系數(shù)，這些系數(shù)是表面上極坐標(biāo)的函數(shù)。由于 FFBUILD 僅支持具有雙邊對稱性的設(shè)計(jì)，因此不會使用 X 中的非對稱項(xiàng)。
以上輸入包含：圓形半視場角為 2 度，半孔徑為 25 毫米。
展開 SYNOPSYS提供可以簡化設(shè)計(jì)自由曲面的過程。閱讀幫助文件中的FFBUILD。我們將展示如何設(shè)計(jì)一個(gè)具有自由曲面的反射系統(tǒng)。
第一步是初略的列出幾何圖形。這里有一個(gè)離軸三反鏡的例子:
光將從表面1的左側(cè)進(jìn)入，打到2,3和4的反射鏡，然后進(jìn)入5處的圖像平面。這是FFBUILD的輸入：
FFBUILD
SYSTEM
ID EXAMPLE FFBUILD
OBB 0 2 25 0
WL CDF
UNI MM
CFOV
END
GEOM
2 MIRROR 0 0 140
3 MIRROR 0 40 30
4 MIRROR 0 40 120
5 IMAGE 0 -30 60 -10 10
END
SHAPES
2 ZERN
3 ZERN
4 ZERN
END
在這個(gè)例子中，反射鏡將被分配Zernike多項(xiàng)式，它接受多達(dá)36個(gè)系數(shù)，這些系數(shù)是表面上極坐標(biāo)的函數(shù)。 由于FFBUILD僅支持具有雙邊對稱性的設(shè)計(jì)，因此不會使用X中的非對稱項(xiàng)。
以上輸入包含：圓形半視場角為2度，半孔徑為25毫米。我們運(yùn)行上面的輸入文件，它將產(chǎn)生兩個(gè)結(jié)果：一個(gè)鏡像系統(tǒng)（目前有平面）和一個(gè)優(yōu)化MACro，它包含了完善這個(gè)設(shè)計(jì)所需的大部分輸入。系統(tǒng)如下：
優(yōu)化 MACro 的命令行很長，包含了Y和Z中鏡面的角度和全局位置的變量，以及鏡面上的Zernike系數(shù)的變量。但是，大多數(shù)變量都被注釋掉了，因?yàn)槲覀儼l(fā)現(xiàn)，如果您首先粗略地設(shè)計(jì)出只有半徑和角度變化的設(shè)計(jì)，然后根據(jù)需要逐漸添加其他變量，那么這個(gè)過程會更好。這是 MACro 的一部分;綠色的命令行被注釋掉了。
展開 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。
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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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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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自由曲面光學(xué)設(shè)計(jì)的最新內(nèi)容
授課時(shí)間：：2026/5/28（四）-5/29（五）（各城市并行開課）
課程時(shí)數(shù)：2天/城市
授課地點(diǎn)：深圳市光明區(qū)鳳凰街道尚智科技園1棟B座1503
課程講師：訊技光電工程師隊(duì)
課程費(fèi)用：3600RMB/1人次
(課程包含課程材料費(fèi)、開票稅金、午餐費(fèi))
課程簡介
Course Introduction
光柵是現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)中最為常用的一種衍射光學(xué)元件
[圖片]
<p><strong>引言</strong></p><p>火炮身管內(nèi)壁的燒蝕、裂紋等疵病直接影響火炮使用安全性，Ф30~Ф85mm小口徑炮膛的檢測對設(shè)備的空間適配性、成像質(zhì)量和三維測量能力提出嚴(yán)苛要求，而傳統(tǒng)內(nèi)窺系統(tǒng)存在成像失真、適配性差、無法三維測量等痛點(diǎn)。Zemax作為全球領(lǐng)先的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真平臺，憑借建模、優(yōu)化、像質(zhì)評價(jià)與公差分析的全流程能力，成為攻克炮膛檢測內(nèi)窺鏡光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)難題的核心工具
什么是光波導(dǎo)設(shè)計(jì) 的“坑”？
光波導(dǎo)作為 AR/VR 顯示、光通信、光子集成芯片等領(lǐng)域的核心光學(xué)組件，正驅(qū)動(dòng)下一代光電產(chǎn)業(yè)的技術(shù)革新。但從設(shè)計(jì)到量產(chǎn)的全流程中，跨尺度物理建模、多物理場耦合、光柵參數(shù)優(yōu)化、雜散光抑制等核心難題，讓大多的光學(xué)工程師反復(fù)陷入設(shè)計(jì)陷阱。
當(dāng)前主流光學(xué)軟件在光波導(dǎo)場景下存在顯著功能短板，而行業(yè)高速擴(kuò)張的需求與設(shè)計(jì)工具的滯后性形成尖銳矛盾
填寫完對光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)要求之后就可以在窗體右側(cè)的繪圖框內(nèi)繪制光學(xué)系統(tǒng)方案草圖。繪圖框的基本尺寸默認(rèn)為一張橫排的A4圖紙。如果根據(jù)系統(tǒng)總體尺寸的要求需要調(diào)整繪圖框圖紙圖幅的尺寸，可以利用界面是文字框從 “圖幅選擇”中選擇，點(diǎn)擊“圖幅選擇”后會出現(xiàn)一個(gè)下拉式菜單，從中選擇所常用的圖幅尺寸代號，如果不滿足還可以選擇“自定義”，給定需要的橫向尺寸和縱向尺寸，如圖3-1。如果需要調(diào)整圖紙橫排或豎排的形式
自由曲面光學(xué)制造與設(shè)計(jì)
自由曲面光學(xué)元件雖然是通過仿真設(shè)計(jì)的，但根據(jù)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(xué)元件（例如包含金屬的基板），用于制造透鏡的工具包括數(shù)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(gè)方向上非常快速地轉(zhuǎn)動(dòng)，以去除透鏡上任何不必要的材料，并確定透鏡的表面輪廓。
打入式斷續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的固定組就是一般定焦系統(tǒng)的物鏡，需要獨(dú)立矯正像差。活動(dòng)組一般由正負(fù)兩組透鏡組成。在變焦過程中一般遵循系統(tǒng)相對孔徑不變原則。在分配活動(dòng)組兩組透鏡的焦距時(shí)有兩種求解方法，一種是根據(jù)前活動(dòng)組位置及后組位置先求出光線M1M2，很容易得到兩組份焦距值；
A) 會聚光路中打入型變焦系統(tǒng)設(shè)計(jì)
寫在前面
仿真、模擬、有限元分析、多物理場……這些術(shù)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(shù)原理和演進(jìn)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(lǐng)域?qū)＜遥瑖@Ansys全產(chǎn)品線的技術(shù)優(yōu)勢，帶您深入解析流體、結(jié)構(gòu)、電子設(shè)計(jì)及電磁仿真、光學(xué)、光子學(xué)、半導(dǎo)體、自動(dòng)駕駛
打入式斷續(xù)變焦系統(tǒng)還分為一次性打入式斷續(xù)變焦系統(tǒng)和多重轉(zhuǎn)換式斷續(xù)變焦系統(tǒng)兩種。一次性打入式斷續(xù)變焦系統(tǒng)只有打入或打出兩個(gè)變焦倍率。多重轉(zhuǎn)換式斷續(xù)變焦系統(tǒng)可以通過多組可打入組分輪番打入（打出）獲得多個(gè)變焦倍率。
1. 一次性打入式斷續(xù)變焦系統(tǒng)設(shè)計(jì)
打入（出）型斷續(xù)變焦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單，在不需要連續(xù)變焦時(shí)一般采用這種結(jié)構(gòu)形式。在活動(dòng)組打出時(shí)使用固定組，系統(tǒng)焦點(diǎn)位置穩(wěn)定，瞄準(zhǔn)精度高。打入（出）型變焦系統(tǒng)的活動(dòng)組可以在前
圖1.帶有端部反射鏡及保護(hù)玻璃的單反射鏡掃描系統(tǒng)示意圖
單反射鏡掃描光學(xué)系統(tǒng)往往多設(shè)在光學(xué)系統(tǒng)端部用以掃描物方視場，故有常稱端部反射鏡。由于具有單次反射面的反射棱鏡也具有反射鏡的功能，也經(jīng)常使用這類棱鏡作為掃描元件，這類棱鏡被稱作端部棱鏡。
具有端部反射鏡（棱鏡）及保護(hù)玻璃的掃描光學(xué)系統(tǒng)，由于其端部反射鏡（棱鏡）是個(gè)運(yùn)動(dòng)部件，其前保護(hù)玻璃可能是三維傾斜的，因此不易計(jì)算他們的外形尺寸。
