光学设计人员一般会对自由形态组件避而远之，通常会主动控制他们的透镜设计软件不允许使用自由形态组件。
设计师大多避免使用自由形态光学器件，原因很简单，它们太贵了，而且直到最近，在大多数商业产品中都很难找到这种产品。但 MKS 已经开发出新的制造技术，使高质量的自由曲面复制镜面成为一种经济高效的解决方案，并可随时批量生产。
自由曲面的优势
自由形式中对称性的缺乏，使其能够对光线路径进行更复杂的控制。这使得自由曲面能够比传统光学器件更有效地校正像差，特别是在宽视场和高分辨率成像系统中常见的离轴像差。这种能力带来了更高的产量和卓越的图像质量，在更宽的视野范围内提高清晰度和对比度。这一优势使其应用范围从显微镜和光谱仪，拓展到摄影和先进的监控。
自由曲面光学技术还能使光学设计更紧凑、更轻便， 同时不影响性能。其复杂的形状可以用一个表面就可以完成通常需要多个表面才能完成的工作。它可以减少元件数量，从而实现更小、更高效的设计。它非常适合空间和重量影响非常大的应用，这些应用范围包括航空航天、便携式消费电子产品。此外，自由曲面可以降低光学系统对实际机械公差的敏感度，使其更易于组装，并在实际使用中始终保持更好的性能。
图 1：自由曲面是没有对称性的曲面。其中最简单的以及最广泛使用的自由曲面是抛物线或其他圆锥截面的离轴段
自由曲面到底是什么？是什么让它如此有用？自由曲面是一种缺乏旋转和平移对称性的表面，如图 1 所示。这与大多数采用球形表面的传统光学原理形成了鲜明对比：传统光学器件采用球面表 面，在所有轴上旋转对称（球体没有顶点）。通常使用的非球面具有单个旋转对称轴。
自由曲面提高了设计自由度，为光学设计带来了全新的可能性。它可以使光学工程师能够应对以前认为的无法解决的挑战，支持开发更具创新性的新型解决方案。
自由曲面制造上的挑战
要理解为什么自由曲面在制造的来源上存在问题，我们不妨回顾一下过去使用的各种制造方法。一般有几种制造方法，为特定应用选择哪一种取决于几个因素，这些因素包括部件的表面形状（尤其是它与简单球体的偏离程度）、所需精度、零件尺寸、基底 材料、所需数量，当然还有目标成本。
大多数自由曲面制造方法大致可分为以下几个不同的组别。常用的是各种数控加工方法，包括金刚石车削。其中最先进的加工方法可以实现光学表面的质量接近传统的抛光方法。有时还会采用额外的后加工步骤，以进一步提高形状或表面质量。
各种亚孔径抛光技术还可以提供非常高精度的自由曲面，包括磁流变抛光（MRF）或计算机控制的传统研磨抛光。同样，这些可能需要额外的加工步骤，如离子束成型 (IBF)，来对所需的表面形状进行最后调整。
此外，还有各种复制方法，从注塑成型和玻璃成型到更复杂的技术。如今，各种快速成型制造方法 （3D 打印）也在开始使用。
这些方法的问题很简单。这些方法实现高表面精度和低表面粗糙度的都很费时间，而且只能一次生成一个部件。没有办法轻松将它们扩大到能同时加工多个部件。因此，要想大批量生产具有成本竞争力的部件，它们并不是一个切实可行的可选择方案。
另一方面，适合批量生产的方法并不能产生高质量的光学表面，没有表现出自由曲面的优点。在大多数成像任务中，它们的使用大多仅限于照明应用。此外，其中一些批量生产方法在启动时会产生大量的模具成本。
来自 MKS 的全新自由曲面技术
MKS Newport 现已开发出自由曲面复制镜面制造技术，突破了这些传统制造方法的限制，可以批量供应经济、高精度的自由曲面复制镜面。我们的制造过程简单明了，而且与其它现有复制技术相似。主要步骤如下图 2 所示。我们已经拥有丰富的工艺知识和经验。
图 2：自由曲面复制镜面的制造概述
生产高精度产品的关键步骤
1、这一过程始于创建一个高品质的母件：通常通过对金属零件进行五轴金刚石车削加工而成。最终复制的部分将紧密再现母版的表面，这一步骤需精心制作。该母版上的形状与最终所需的表面形状相反（例如，制作一个凸形母版，以产生凹形复制镜面）
还需要执行各种后处理步骤，并使用干涉测量法和其他计量工具，以达到所需精度的水平。通常情 况下，目标是实现 λ/10 至 λ/20 范围内的表面精度，以及表面粗糙度，可与传统制造的光学器件媲美（就预定工作波长而言） 。
2、先在母版的光学表面涂上一层 " 脱模层 "，然后再用标准蒸发方法在脱模层上涂上一层镜面涂层。与 Newport 复制工艺兼容的金属反射涂层为铝、UV 增强铝、裸金和受保护的银。
3、复制光学元件的基板已制作完成。这些部件可以是任何形状或形式，除了光学表面外，还可以包括各种支撑结构。将多个复制镜面放置在一个整体基板上也是完全可能的。最重要的是，复制部件的光学表面无需达到与母件相同的精度水平。事实上，就表面精度和表面粗糙度而言，它们通常要差 20 - 50 倍。这意味着复制品的基底可以更快地制作出来，成本也大大低于母件。各种各样的基底材料都与 Newport 复制工艺兼容。这些包括各种金属（如铝，钢，铍和钛），玻璃， 陶瓷，碳化硅和其他复合材料，甚至碳纤维增强聚合物（CFRP）。有了基底，实际复制周期的第一步是在复制品的光学表面上放置粘合剂。
4、接下来，使母件和复制品接触，并使粘合剂固化。
5、最后取出母件。金属涂层与粘接剂保持粘接，从母件转移到复制品。粘接剂的粘度使其能够填满原始母件表面和公差小得多的复制品基底之间的任何 " 缝隙 "。结果是母件的形状以非常高的保真度再现，无论是在总体表面精度方面还是表面粗糙度方面。
如图 3 所示，通过此过程消除了最初存在于复制品基底表面上的，任何加工标记和中间空间频率引起的表面误差。这些复制品部件的典型规格是 λ/8 表面精度和 60-40 的划痕-麻点。在这个周期结束时，母件没有变化，然后可以用来制作更多的副本。因此，可以在短时间内，在低成本的基底上生产大量高精度零件。这仅需要制 造一个或几个较高成本、高精度的母件来实现。
图 3：转移工艺前的基底光学表面（左）显示出明显的工具痕迹和表面粗糙度。在转移金属涂层（右）后，它是光滑和准确的，公差典型的高精度光学元件。
实现复制镜面的使用自由
MKS Newport 复制工艺可实现高性能自由面复制镜面的批量生产，成本仅为传统上与这些类型组件相关的成本的一小部分。它真正实现了自由曲面反射光学元件的自由化，将长期以来主要与高端军事和航空航天光学相关的技术带入商业产品设计师手中。
我们的复制工艺提供的不仅仅是具有成本效益的自由曲面光学元件。具体来说，除了自由曲面本身之外，还有两个关键的优势：
首先是能够集成任何类型的光学元件并安装在单片基底上。这种能力已经被国防和航空航天设计师使用了一段时间，以制造出比由单独的光学和机械部件组成的系统更轻，更紧凑，更坚固的金属复 制镜面组件。
图 4 显示了一个包含四个平面镜的单个金属部件－而不是自由曲面。其中一面镜子上有穿孔。具有这样的整体结构消除了在组装期间可能会复杂且耗时的对准过程。此外，这个系统永远不会偏离轨道坚固耐用。
此外，可用的各种衬底材料，允许系统设计者更高地针对特定用例或特定的性能标准集进行优化。例如，如果重量轻是关键，铝、陶瓷甚至 CFRP 都可以用作基材。如果需要高刚度和高导热性，则可以使用碳化硅。
图 4：四镜单片设计，镜面上有一个通孔，用于光束进入系统。
能够复制高质量的非球面，以及其他复杂的组件，如角立方体回射镜，再加上它们与机械结构的无缝集成，极大地扩展了系统开发人员的设计领域。这些功能以前仅限于军事和航空航天领域的高成本、 一次性使用系统，现在我们的工艺所提供的这些功能可惠及广泛的商业应用。从医疗仪器和环境监测到 LIDAR 和 ADAS 系统，这项技术为创新浪潮打开了大门，以可接受的成本和交货时间提供解决方案。
Newport 拥有专业知识和多年的经验，可以帮助您实现光学系统中自由曲面复制镜面的使用自由。联系 Newport，了解自由曲面复制镜面如何消除不必要的光学约束，以自由设计光学系统。
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