天博体育 设计具有成本效益的自由曲面
如何设计提高成本效率的自由弹性变形器件
自由曲面光学器件（具有非平移或旋转的形状）在机载系统和其他应用中产生了重大影响，特别是在增值型低地轨道（LEO）所需的紧凑型运载系统中起到了关键的推动作用。因为它们的复杂形状允许生产物理尺寸重量和更小、性能的光学系统。但是，实现自由变形的复杂天博体育技术也带来了传统的旋转精确球面和非球面器件光学的生产中没有遇到天博体育挑战。
这些挑战对天博体育商产生重大影响，他们通常会将相关成本和技术风险转嫁给客户。或者更糟糕，天博体育商在不知不觉中冲锋陷阵，并因无法按规格或按时交付而损害客户利益。本旨在帮助光学设计人员始终如一地进行自由规划的设计，并以具有成本的轻松天博体育。具体来说，它提供了一个可用于预测可天博体育性的指标，从而预测交货时间和成本。
表面形状与可天博体育性和成本的关系
天博体育商的目标是生产出符合预期设计的光学表面。但现实世界的天博体育工艺并不完美，因此设计必须首先对工件有一定的耐受度。当然，对高精度的设计耐受度加大，抛光过程容易，这反过来又降低了零件成本和交货时间。
对于自由曲面光学天博体育商来说，最容易获得的测量形状精度的方法是使用低空间频率和中空间频率精度测量方式。具体来说，低频表面误差对应于传统上用于光学球面器件使用的大规模形状精度测量，例如功率、不规则性和泽尼克参考。中空间频率（MSF）的物理测量精度较小，对应于对称、波幅和斜率测量。高精度工件本质上是表面粗糙度，而不是形状工件。
就设计而言，在天博体育过程中，哪些因素容易导致低频和中频误差？因此，设计师可以做针对性的来或避免减少这些误差，从而创造出本质上更容易天博体育的设计？相干高意拥有多年来的自由曲面光学器件生产经验，并且已经确定自由曲面可天博体育性最重要的预测指标之一是光学表面形状的曲变化率。具体来说，曲率变化率是天博体育复杂性的一个有用的替代指标，因为它与影响抛光时间和测试复杂性的工艺参数直接相关。
下图总结了表面工件（包括低频和中频）与许多不同实际光学元件的曲率变化率之间的关系。它包括相干高意使用的各种生产方法和关键材料天博体育的光学器件的测量值。
图表的y轴显示表面气压垂直递减，因此点越接近图表的顶部，其表面精度越好。X轴整体是曲率变化率，不是曲率。请注意，两个坐标轴都是对数。
在这样，从左下角（曲率变化率最低和表面姿态最大）到右上角（曲率变化率和表面姿态最小），天博体育的相应对应递增。可以预见，实际测量的数据趋势是从左上角到右下角。也就是说，曲率变化率较高，成品光学器件中合成的表面姿态就越大。
这句话看是要获得给定结果所需的努力（例如时间）。而且，这是关键，因为它能直接转化为成本。在比这里显示的更高的表面质量水平下，有可能生产出位于右上象的光学器件的限制（例如，“分量的高斜率非球面”）。但是，在实践中实现这一点需要更多的天博体育时间，因此会延长时间并增加成本。因此，该图思维所用的说是“吸力”，不如说是“具有成本效益”。
“曲率变化率，成品光学中的合成表面工件就加大。”
结果讨论
该图实际上差不多来自于几种不同类型元件的数据，因此值得单独查看每个元件，以了解谐波机制的关键要素。
椭圆曲线/变形椭圆曲线
这些相对“简单”的非球面形状最容易天博体育。此处显示的数据点适用于 30 mm 至 1.5 m 尺寸范围内的光学元件。几乎任何烧结材料（铝和硅）的光学器件都可以在这种曲率变化率范围内以低残差的图形显示器天博体育出来。此范围内的光学器件的天博体育通常无法获得标称形状而包括图形、图形尺寸或 MSF容许曲率变化率保持在~100/m²以下，这些表面通常可以达到所需的几乎任何质量水平。
具有适应的离轴凸形自由曲面或“副镜”
这些数据点是在相对较小（直径≤50毫米）的情况下获得的，通常为铝、玻璃、硅和碳化硅的凸面镜。在许多经典的投影设计中，此类元件通常常用副镜，在曲率变化率约为250/m²的情况下，它们逐渐难以在保持较低的表面较近的情况下天博体育出来。另外，凸面镜也是一个挑战，因为施工空间（从通光表面到机械边缘的距离）通常比较小，并且需要从光学表面到机械边缘的快速过渡，没有足够的面积来支持抛光工具在透明孔的边缘移动。
负载很大的高斜率非球面
这些较高的斜率（曲率变化率）通常组件必须在图形、粗糙度和 MSF 之间进行权衡，以便在合理的时间和成本限制下生产出零件。虽然可以改善此类光学器件的表面（尤其是 MSF），但实现这一点的天博体育技术极为有限（由于高斜率）。因此，严格的规格会迅速推高成本。
非常高阶的钻石车削/模压非球面
具有这种曲率变化率(>10,000/ m²)的零件通常采用钻石车削和模压等技术天博体育，而不是传统的抛光。特别是钻石车削工艺，经常会在光学器件上产生所谓的“颜色”。
总结
本文档中提供的数据试图确定什么构成了自由曲面光学设计的“最佳实践”。随着对高度依赖自由曲面光学器件的增值型低地轨道（LEO）光学伸缩组件开发的持续关注，质量要求变得更加妊娠的同时，还要满足成本时间和目标。此处显示的图表代表只要边界无限的时间和努力就可以完成的所有事情。相反，它试图为容易天博体育的东西规定一些限制，并强调最有可能推高组件成本或交货时间的因素。特别是连贯的高意，它通常会在图表中的几乎所有表面行程/曲率变化率空间内天博体育自由成形光学器件。主要目标是帮助客户以最有效的方式实现成本和最及时的实际讨论显示的设计目标，希望本次将有助于实现这一目标。具有复杂自由曲面光学要求的公司应在设计阶段的早期与光学合作伙伴会面，增加效率或权衡可以减少成本超支和项目延迟。