自由曲面定义为如图所示这样的曲面，该曲面的表面形状缺少围绕垂直于平均平面的轴的平移或旋转对称性。自由曲面的光学器件涉及具有至少一个自由形式的表面的光学设计，根据ISO标准17450-1：2011，该表面关于垂直于平均平面的轴没有平移或旋转对称性。至少从1990年代开始，非成像和照明光学器件就利用了自由曲面。
将自由曲面的光学器件和表面集成至成像系统中仍然是一项重大挑战。然而，自由曲面的光学设计所带来的新的自由度则驱动着业界不屈地想要克服这些挑战。这些额外的自由度可以带来许多潜在的优势，包括系统的小型化，减少元件数量，甚至带来全新的光学功能，所有这些都会对光学行业产生深远的影响。制造和计量必须与设计并驾齐驱，以实现自由形式光学的全部潜力。
传统制造工艺的弊端
自由曲面定义为如图所示这样的曲面，该曲面的表面形状缺少围绕垂直于平均平面的轴的平移或旋转对称性。自由曲面的光学器件涉及具有至少一个自由形式的表面的光学设计，根据ISO标准17450-1：2011，该表面关于垂直于平均平面的轴没有平移或旋转对称性。至少从1990年代开始，非成像和照明光学器件就利用了自由曲面。
将自由曲面的光学器件和表面集成至成像系统中仍然是一项重大挑战。然而，自由曲面的光学设计所带来的新的自由度则驱动着业界不屈地想要克服这些挑战。这些额外的自由度可以带来许多潜在的优势，包括系统的小型化，减少元件数量，甚至带来全新的光学功能，所有这些都会对光学行业产生深远的影响。制造和计量必须与设计并驾齐驱，以实现自由形式光学的全部潜力。
自由曲面的计量面临的重大挑战
额外的自由度本质上增加了定位的不确定性，并使其难以同时满足光学设计人员对光学形状，中空间频率和表面微观粗糙度的要求。由于计量平台通常具有可与制造平台相比的不确定性，因此在此级别的自由曲面的计量中仍然存在重大挑战。
因此，根据以上工艺存在的问题，基于我们对加工微光学元件的理解，我们推荐使用激光三维纳米打印技术来制作自由曲面光学元件的方法。可能的途径有以下两种：
● 聚合物掩模刻蚀的方法。这种方法分为两个主要步骤：
1）使用激光纳米三维打印的方式在聚合物中制作出微透镜阵列的结构。
2）然后以聚合物的微透镜阵列作为掩模，通过刻蚀的方式将图形转移到石英基片上。
● 激光在石英玻璃直写配合选择性酸刻蚀的方法。这种方法也有两个主要步骤：
1）使用高功率激光在石英玻璃（可以是各种玻璃）里面直接通过飞秒激光引入的相变，写入所要加工的微透镜阵列的反结构（就是需要刻蚀去除的结构）
2）使用选择性酸刻蚀的方法将需要去除的地方刻蚀掉。
图1.设计的自由曲面光学器件（来源：Design and fabrication of a freeform microlens array for a compact large-field-of-view compound-eye camera）
图2. 设计的自由形态表面的相结构图
高灵活性
基于激光3D纳米打印技术，可以生产具有任意空间分布的自由形状的光学元件
低成本和快速优化
激光加工的成本极低，因为不需要金刚石车削，而且由Innofocus开发的激光纳米加工系统可以快速进行设计比较，从而有效地优化结果。
精确控制表面形态
每个部件的表面形态都可以独立控制。高分辨率的激光纳米3D打印技术使部件的表面形态可以根据需要与每个空间位置结合起来制作。
高成品率
在高精度和高均匀性的基础上，可以实现对自由形态光学元件质量的精确控制，并实现高成品率
Innofocus致力于开发产品和解决方案，通过智能制造和先进材料的持续创新，建立一个更智能、更绿色、更幸福的世界。
智能激光3D纳米加工系统是Innofocus的核心产品之一，拥有多项核心发明技术，在光学、机电、算法、自动化软件系统等领域拥有完整的知识产权和自主制造能力。值得说明的是：该系统可集成原位3D折射率成像功能（也可用于独立设备使用）——全球首创且唯一具备此功能的产品，使得该设备具备对纳米加工进行折射率3D成像原位表征能力，以支持精确定量地分析刻写结构（光纤光栅、微光学元件等）的光学特性，实现真正的所见即所得。
作为一家专注于智能纳米加工、超分辨率成像、表面工程、绿色能源先进材料和微光学器件开发的前沿技术公司，Innofocus致力于为光电科学研究、绿色能源存储解决方案、先进制造业转型和新材料应用创造更大的价值。
Innofocus获得美国半导体评价专业主流媒体评选为 "2021年亚太地区十佳光子解决方案供应商 "和 "2021年度发展潜力最佳公司"，以及由DISER澳大利亚工业企业家计划、新南威尔士州政府和CSIRO赞助的 "澳大利亚Tech23 2021年深度科技创新公司奖"。
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