摘要：在光学领域，自由曲面元件以其独特的非对称、非球面结构，成为突破传统光学设计瓶颈的关键。从复杂的光学系统到前沿的光电设备，自由曲面的加工精度与转化能力直接决定了光学性能的上限。倚光科技凭借在超精密加工领域的深厚积淀，不仅实现了泽尼克（Zernike）自由曲面的高

在光学领域，自由曲面元件以其独特的非对称、非球面结构，成为突破传统光学设计瓶颈的关键。从复杂的光学系统到前沿的光电设备，自由曲面的加工精度与转化能力直接决定了光学性能的上限。倚光科技凭借在超精密加工领域的深厚积淀，不仅实现了泽尼克（Zernike）自由曲面的高精度加工，更能将各种自由曲面转化为菲涅尔结构（平面或凸起型），以颠覆性的技术能力重新定义了光学元件制造的边界。

一、攻克泽尼克自由曲面加工难题，定义精度新标杆

泽尼克自由曲面作为光学设计中复杂度极高的结构，其面型由一系列正交多项式（泽尼克多项式）描述，能够精准校正高阶像差，广泛应用于激光光束整形、天文望远镜、医疗成像等高端领域。然而，其非对称、高曲率变化的特性，对加工设备的运动控制、刀具轨迹规划和材料去除精度提出了近乎苛刻的要求。

技术突破与设备支撑

倚光科技以超精密单点金刚石车床（如 NanoTech 650 FG）为核心，结合自主研发的五轴联动数控系统，实现了泽尼克自由曲面的纳米级加工。通过将泽尼克多项式转化为机床可执行的刀具路径，配合金刚石刀具的超精密切削（分辨率达 0.01 纳米），可直接加工出连续、光滑的自由曲面，避免了传统拼接或刻蚀工艺的台阶损耗问题。例如，加工直径 50mm 的泽尼克相位板时，面形精度（PV 值）可控制在 0.2μm 以内，表面粗糙度（Ra）低于 3nm，达到国际领先水平。

关键优势

该技术具备显著的关键优势。在高精度相位控制方面，通过精确拟合泽尼克多项式系数，能够确保每个面型细节都符合设计预期，实现对光线波前的精准调制，特别适用于高功率激光系统的波前校正；材料兼容性上，可加工锗、硒化锌、硅等红外材料，以及各类透明光学树脂，能够充分满足从紫外、红外到可见光等不同波段的光学性能需求；在复杂结构加工时，无需多步拼接或掩模转换，通过单次装夹即可完成复杂曲面加工，避免了传统工艺的累积误差，生产效率提升 30% 以上 。

二、自由曲面到菲涅尔结构的创造性转化，拓展光学设计边界

菲涅尔结构（平面或凸起型）通过周期性微结构实现光线的高效汇聚或发散，兼具轻量化与高集成度优势，在 VR/AR 光学、太阳能聚光、机器视觉等领域应用广泛。倚光科技创新性地将自由曲面设计与菲涅尔结构结合，开发出自由曲面 - 菲涅尔转化工艺，为光学系统小型化提供了全新解决方案。

转化原理与工艺路径

该技术的转化原理与工艺路径主要包含三个核心环节。首先是面型分解与重构，通过自研算法将自由曲面的连续相位分布分解为菲涅尔环带结构，每个环带对应特定的相位延迟，实现将自由曲面 “折叠” 成平面或凸起的周期性微结构，如将非球面透镜转化为平面菲涅尔透镜时，通过计算每个环带的高度差，确保光线经菲涅尔结构后的传播路径与原自由曲面一致。其次，在超精密加工实现环节，利用慢刀伺服（SLOW tool servo, STS）技术与纳米级刀具轨迹控制，在单点车床上直接加工出菲涅尔环带，针对凸起型菲涅尔结构采用分层切削工艺，精准控制每个环带的高度和宽度（最小环宽可达 5μm），保证表面粗糙度低于 5nm，光通过时的散射损耗低于 1%。最后是多材料适应性加工，对于光学塑料（PMMA/PC）采用注塑模具加工，可实现百万级量产，适用于消费电子菲涅尔透镜；红外材料（锗 / 硒化锌）通过单点车削直接成型，用于红外热成像系统的菲涅尔聚光元件；铝、铜、钢等各类金属，一般直接用于反射镜或模具模芯，以便于注塑或者模压生产使用 。

应用场景与性能提升

该技术在多个领域展现出强大的应用潜力与显著的性能提升。在 VR/AR 光学领域，将自由曲面透镜转化为平面菲涅尔透镜后，厚度减少 60%，重量降低 50%，同时维持相同的视场角与分辨率，极大提升了设备的佩戴舒适度；于太阳能聚光方面，把抛物面自由曲面转化为凸起型菲涅尔聚光器，聚光效率提升至 95%，体积缩小 70%，非常适合应用于便携式太阳能发电设备；在机器视觉领域，将自由曲面光束整形器转化为菲涅尔结构，能够实现均匀的线激光或结构光投射，边缘畸变低于 0.1%，有效提高了工业检测精度。

三、技术能力背后的核心支撑

1. 全链条技术整合

倚光科技构建了从光学设计→ 工艺仿真（自主开发菲涅尔转化算法）→ 超精密加工（五轴联动车床）→ 纳米级检测（激光干涉仪 / 原子力显微镜）的全流程能力，确保自由曲面到菲涅尔结构的转化精度与设计完全一致。

2. 设备与工艺创新

在加工设备与工艺方面，引进 NanoTech 650 FG、ULC-100F (S) 等高端车床，配备精度达 0.05μm 的空气静压主轴和激光干涉仪实时补偿系统，为纳米级加工稳定性提供坚实保障；针对硬质材料如光学玻璃，采用 “单点车削 + 磁流变抛光” 的复合加工工艺，先由车床完成成型工序，再借助磁流变液有效去除切削纹路，最终实现面型精度达 λ/20（λ=632.8nm）的优异成果。

3. 行业领先的检测体系

通过Zygo 激光干涉仪检测菲涅尔结构的面型误差，基恩士超景深显微镜分析环带边缘质量，分光光度计验证光谱透射率，确保每个元件的光学性能符合设计指标。

四、结语：以技术创新驱动光学产业升级

倚光科技在泽尼克自由曲面加工与自由曲面 - 菲涅尔转化领域的突破，不仅展现了其在超精密加工领域的深厚实力，更揭示了光学元件制造的未来趋势 —— 通过数字化设计与超精密加工的深度融合，打破传统光学元件的结构限制，为光学系统的小型化、高效化提供了无限可能。随着 VR/AR、自动驾驶、量子光学等新兴领域的爆发，倚光科技以创新技术为基石，引领光学产业向更高精度、更优性能的维度迈进。

来源：生活无线精彩