光设内参·自由曲面简述（第一章）1

【光设内参·自由曲面简述（第一章）1】 在光学设计中，自由曲面是一种先进的技术，尤其在增强现实（AR）领域扮演着关键角色。AR光学的三种主流技术路径包括传统同轴光路、波导技术和自由曲面。尽管Magic Leap声称实现了光场显示，但其核心技术仍基于波导显示，而波导显示存在固有问题。相比之下，自由曲面技术因其在成像质量、成本效益和量产可行性方面的优势，被联想、悉见、爱普生、亮风台、Meta、ODG、骁龙等多家公司采纳，成为当前AR眼镜的核心组成部分。 自由曲面是光学设计中的一个重要突破，不仅在AR中应用广泛，也在其他光学领域发挥着重要作用。它的发展是从传统的球面光学系统开始的。球面光学是最基础的光学表面形式，其表面各点曲率相等，易于制造和理解。理想光学系统理论，即高斯光学，就是基于球面光学的傍轴近似。然而，球面光学系统在处理大角度光线或不同波长光时会出现像差，如几何像差和色差，通常需要多个不同材质的镜片组合来纠正。 为了解决这些问题，非球面光学系统应运而生。非球面的曲率不均匀，能够更有效地校正高级像差，减少系统所需的镜片数量。随着计算机辅助设计技术的进步，非球面光学系统变得更加实用，例如柯达1982年推出的非球面镜头。非球面的制造工艺不同于球面，通常采用单点金刚石车削工艺批量生产。 进入20世纪50年代，随着光学和机械结构的复杂化，自由曲面技术开始兴起。自由曲面没有旋转对称轴，可以是任意形状，能够应对更高级的像差挑战，特别适用于非对称和超薄的光学系统设计。获取自由曲面的初始结构可以通过球面或非球面的逼近，或者通过光线追迹得到点云后进行曲面拟合。自由曲面的描述方法多样，注重灵活性和校正能力，包括全局控制和局部控制等策略。 自由曲面技术在AR光学中的应用体现了其在解决传统光学系统限制上的优势。它不仅优化了光学性能，还推动了AR行业的发展。随着技术的不断进步，自由曲面光学有望在未来继续发挥重要作用，实现更加先进和复杂的光学解决方案。