無(wú)論你是與光學(xué)設計師還是制造者交談，都可能會(huì )出現一種特殊的觀(guān)點(diǎn)，也可能被認為是精確的自由形式。簡(jiǎn)單地說(shuō)（可能太簡(jiǎn)單了），自由曲面被定義為曲面形狀缺乏關(guān)于垂直于平均平面的軸的平移或旋轉對稱(chēng)性的曲面。

　　可自由設計的光學(xué)表面輪廓與球面輪廓相比，提供了更輕、更簡(jiǎn)單、更緊湊的組件，但它們更難制造和測量。眼科應用中自由曲面的經(jīng)典例子是眼鏡中常用的變焦透鏡。

　　由于傳統的衰老過(guò)程，眼睛的適應能力在接近和非常緩慢之間下降。這會(huì )導致不適，尤其是在近距離內。變焦鏡頭的優(yōu)點(diǎn)是，它們在一個(gè)鏡頭中結合了不同的強度。

　　與單視覺(jué)鏡頭相比，它們允許三種視覺(jué)范圍的混合：距離、中間和視力。然而，與簡(jiǎn)單的旋轉對稱(chēng)透鏡相比，這些自由曲面的輪廓極其復雜，因此計算成本高昂，因為它們分別適用于每個(gè)眼鏡佩戴者和每只眼睛，以獲得最佳效果。

　　自由曲面不僅在眼科應用中很有用，在精密光學(xué)中也很有用。例如，在具有復雜光路的系統中，通過(guò)在一個(gè)透鏡中組合多個(gè)功能，它們將顯著(zhù)減少透鏡的數量。

　　因此，自由曲面可以使復雜的光學(xué)系統更加緊湊，并可以顯著(zhù)減輕其總體重量。這通常與精密光學(xué)中的透鏡特別相關(guān)，這些透鏡通常由礦物玻璃、陶瓷材料或晶體而不是輕質(zhì)塑料制成。用自由曲面替換幾個(gè)經(jīng)典透鏡也可以減少組件中的組件數量。

　　某些應用程序，比如平視顯示器，甚至可以只使用自由曲面進(jìn)行生產(chǎn)。平視顯示器的任務(wù)是將直線(xiàn)圖像投影到曲面玻璃表面。這表明，必須預測平視顯示器透鏡內的彎曲投影面變形，以便在添加時(shí)精確取消。就像眼科應用中的變焦透鏡一樣，自由曲面甚至必須經(jīng)過(guò)精心計算和設計。

　　制造自由曲面透鏡

　　與通常完全自動(dòng)化的眼科鏡片生產(chǎn)不同，精密光學(xué)鏡片通常是小批量生產(chǎn)的，數量不超過(guò)20個(gè)，更罕見(jiàn)的是，在沒(méi)有自動(dòng)連接的情況下生產(chǎn)100個(gè)。這些鏡片在精確度、光學(xué)性能和堅固性方面的壓力比眼科鏡片大約10到1000倍。

　　因此，精密透鏡的生產(chǎn)幾乎完全依賴(lài)于高質(zhì)量且部分復雜的玻璃材料。許多此類(lèi)硬脆材料對加工工藝和所用工具提出了很高的要求。對于具有自由曲面的精密光學(xué)透鏡來(lái)說(shuō)，這一點(diǎn)通常尤其正確。每個(gè)光學(xué)有效面積的單個(gè)透鏡的復雜性、要求和制造成本顯著(zhù)增加。