自由曲面概念

作者：发布时间：2022-03-15 10:38:44点击：421

广义的非球面是指不能用球面定义描述的面形，即不能只用一个半径确定的面形。非球面囊括了各种各样的面形，其中有旋转对称的非球面和非旋转对称的非球面，有关于两轴对称的面形，排列有规律的微结构阵列，有包含衍射结构的光学表面，还包括形状各异的自由曲面等。

一般的非球面概念多是狭义的，主要指的是能够用含有非球面系数的高次多项式来表示的面形，其中心到边缘的曲率半径连续发生变化。在某些情况下，特指旋转对称的非球面面形。自由曲面是指无法用球面或者非球面系数来表示的曲面，很多情况下需要用非均匀有理B样条（Non-Uniform Rational B-Splines，NURBS）造型方法或其他方法来描述。

100多年以来，传统光学系统设计手段早已由查对数表的手工计算阶段发展到了计算机辅助设计阶段，提高了设计效率和设计自由度。传统的光学制造工艺也从最早的玻璃磨制、抛光等手段发展成各种现代化加工手段。与此同时，各种各样光学系统的性能和要求不断提升，如提高系统相对孔径、扩大视场角、改善照明均匀性、简化系统结构以及提高成像质量等。传统光学系统为了获得高性能系统和高质量像质，往往需要采取相当复杂的多片球面透镜的结构，这是设计原理方面无法逾越的障碍。

1638年，Johannn Kepler把非球面面形用于透镜，使其在近、远距离分别获得无球差像面，逐渐奠定了非球面光学基础。在17世纪，非球面就已经应用于反射式望远系统中来校正球差。之后，在一些像质要求不高的系统，比如照明器中的反射、聚光、放大等系统中也开始应用非球面。近年来，超精密车削等加工工艺和光学检测水平不断提高，非球面的应用日益广泛，已应用于成像质量要求较高的系统中，如在照相摄影、广角、大孔径、变焦距等物镜中都有应用。

非球面光学与球面光学相比，在减少镜头片数、优化系统结构、提高成像质量等方面具有更好的表现。

在光学系统中常常引进旋转对称非球面校正除场曲外的各种单色像差。在光阑附近使用非球面可以校正各带的高级球差，在像面前或离光阑很远的地方用非球面可以校正像散的畸变。