PHABULOµS集团通过创建一条设计和制造自由曲面微光学解决方案的自我可持续试验线，将欧洲领先的公司和研究与技术组织（RTO）统一起来。这些解决方案将集成到高附加值设备中，从用于增强现实的微型显示器，到用于专业、汽车和交通照明的创新系统，再到用于奢侈品的光学效果。

---自由曲面微光学的工艺步骤---

1、评价汽车状况

将光学系统应用于汽车领域需要满足很多要求。选择合适的汽车前照灯光学材料时需要考虑前照灯内部所有部件的温度循环范围为-40°至+120°、湿度变化、光源的高能辐射、燃料或气体暴露等热变化下的光学性能稳定性。此外，有了合适的材料，必须收集前照灯光分布的所有要求。最容易的需求将在日间行车灯处找到，此时光必须分布到一个近似二维的高斯分布。更先进的是远光分布也建立了高斯分布，但至少有三个不同的高斯参数。左右对称高斯光束，近光链路为陡峭高斯光束，头顶照明为不太陡峭的高斯光束。

2、光学设计

目前，前照灯中的自由曲面反射系统大多在数售出的车辆中实现了主光束或近光分布如图1。此外，市场上还推出了几毫米大小的所谓小面反射器阵列。自由曲面的微光学在智能手机、智能可穿戴设备、光学测量设备和其他几个领域都有很好的应用。

图1 人工近光光束分布

3、写入

要将光学设计从3D数据传输到母版如图2。首先，需要选择与3D结构产生尽可能少偏差的适当母版工艺。这里的“写入”意味着将一个近乎理想的微光学表面制造成一个玻璃或金属基底，可以复制到一个工作工具中。由于通常没有工艺产生理想结构，因此需要评估预期偏差对光学性能的影响。研究将3D写入母版可能的解决方案包括电子束光刻、超短激光脉冲、2-photone聚合、超精密金刚石车削或铣削。根据应用、结构尺寸和所需表面质量的不同，有许多其他可能的工艺用于构造微光学器件，各有优缺点。

图2 自由曲面微光学测试母版

4、复制

有了一个主版本后，就存在一个问题：如何以同样的精度、精度和粗糙度生产数千个这样的光学元件？有几种可行的方法，如注射成型、注射压缩成型、热压压印或UV固化，用于将母版多次复制到最终光学产品中。这里最具挑战性的部分是找到一种将微光学精确复制到能够承受汽车条件的材料中的工艺。

---光学概念---

光学有两个领域，照明光学和成像光学。二者及其组合均应用于汽车照明。这些原理有一个共同点，即改变光的强度分布相对于空间或角度分布。成像光学是指，光源或图像平面的定义形状主要以相同的纵横比传输到目标平面，而照明光学是指光学以一种新的分布或图像由原始光源图像的不同比例的多个图像叠加的方式传输图像。例如，日间行车灯是照明光学。投影系统的透镜是成像光学器件，在成像光学器件处，用于照明对比度较高的快门平面的抛物面或自由曲面反射器是照明光学器件。此外，可以根据微光学和自由曲面微光学的成像特性两种原理进行分类。

本文讨论的自由曲面微光学元件由若干子元件组成，这些子元件将光折射并整形到一个确定的方向。有几种光学设计方法可用于计算这些自由曲面的微光学。一个简单的原则是定义目标分布，并根据光源，例如，光工具自由形式设计，计算产生的光学元件，然后根据菲涅耳原理减少光学结构。

第二种方法是直接计算小面积并定义其对光分布的贡献。因此，每个微光学元件都是完整光分布的一部分如图3所示。

图3 自由曲面微光学元件示例

第三种方法是，每个微光学元件都会自行创建孔分布，如图4所示。根据目标分布，计算扩展光源的微光学元件的自由形状（相对于每个子元件相对于光源的位置及其强度分布）。

图4 自由曲面微光学元件示例

先进技术还包括色散行为的色度校正以及扩展光源和可能将自由形式扩展到第二表面。另一种方法是使用人工智能计算光学元件。深度神经网络被训练用于求解光子结构，例如超材料或光学薄膜。这种制备方法也可用于计算和优化自由曲面微光学，重点放在一个自由形式的微光学元件上，该元件将准直和光整形结合在一个光学元件中。它由数千个形成最终光分布的单独区域组成。元件的一侧负责准直光线，另一侧负责将光线形成所需形状，如图4所示。

图4 自由曲面微光学元件的设计实例

---汽车应用---

微光学属于汽车照明的范畴，因为它可以隐藏折射、反射或一般光形成区域的形状。除了安全性和舒适性之外，造型是汽车照明创新的最主要驱动力之一。人们通常不希望看到被照亮的光学元件的形状。由于光学结构本身小于人眼的视觉感知，自由形式的微光学倾向于允许新的造型领域。从2米或以上的典型观测距离看不到结构。微光学还允许超薄的光输出和高效率，以满足汽车照明的造型和经济标准。此外，自由形式的微光学减少了光学系统中光学元件的数量，因此可以降低总成本和重量。

为了实现所有这些好处，需要解决汽车前照灯的一些实际挑战。例如，主机生成主要限于几毫米的特定区域。在这里，多个副本会产生相同的光分布，这是一个解决方案。此外，微光学表面粗糙度，尤其是结合两个微结构的过渡区域，需要尽可能精确。其中，最主要的挑战是复制材料必须是合格的。

---结论---

本文阐述了微光学生产的工艺流程，详细概述了光学设计方法，并讨论了微光学在汽车照明中的优势。自由曲面微光学具有降低成本和满足造型要求的潜力，但在研究应用于前照灯的自由曲面微光学道路上，必须先解决一些挑战。

文章转自 公众号 IFAL