一场有远见的革命：自由曲面光学和宝丽来 SX-70 陆地相机

        光学工程师威廉·T·普卢默 (William T. Plummer) 50 年前并没有意识到这一点，但他帮助发明的宝丽来 SX-70 陆地相机于 1972 年首次亮相，将继续成为“自我”一代的偶像，以及作为光学设计中的参考点，用于当今称为自由曲面的方法。

        自由曲面光学元件是表面不具有旋转对称性的透镜或反射镜。像 Plummer 这样的专家表示，这一概念可以追溯到 100 多年前的渐进镜片——一种通过不同程度的屈光度调节眼睛焦点的眼镜，所有这些都在一个镜片上。

        今天，自由曲面正在经历某种复兴，有人会说是一场革命——以迎接新的光学设计挑战。对各种商业、国家安全、太空探索和医疗保健应用（例如紧凑型高分辨率 AR/VR 显示器）的需求推动了它的发展；更好的传感器；更强大的望远镜和卫星的成像能力；改进的光刻技术；以及自动驾驶汽车的移动摄像头。

       定制光学器件制造商 Optimax 的前技术和战略总监 Jessica DeGroote Nelson 提出了一个理解自由曲面的类比。她说，大多数人都熟悉 PowerPoint 软件以及拥有从头到尾浏览幻灯片演示文稿的能力。 “但是你听说过Prezi吗？这是一个非常酷的平台。您不必按线性顺序进行，您可以四处移动，放大....自由曲面就是这样。你可以离轴做东西，你的设计空间有更多的自由度。这是我们对设计光学器件的思考方式的巨大变化。”

      但在形式和功能方面，可折叠的宝丽来 SX-70 相机及其自由曲面组件为了解自由曲面设计方法、近年来的演变及其前景提供了良好的起点。

         SX-70 相机及其继任者是宝丽来数十年来的热门产品，销量达数百万。从可以放在钱包或公文包中携带的扁平便携式 10.5 x 18 x 3 厘米矩形中，相机会快速打开到锁定的直立位置。摄影师可以通过取景器查看，将图像聚焦到大约 10.5 英寸，然后按下快门按钮。在不到两秒钟的时间里，相机底部的墨盒会弹出一张 8 厘米见方的自显影宝丽来彩色照片。

       演员 Candice Bergen（她本人是一位出色的摄影师）和 Laurence Olivier 在电视广告中赞美了相机的优点。艺术家安迪·沃霍尔在 70 年代，几乎走到哪里都带着他心爱的 SX-70，拍下纽约市名人聚会者的即时照片，甚至是垃圾桶里的垃圾。 2020 年，在沃霍尔去世很久之后，他的一台带有棕褐色皮革饰面的 SX-70 相机在拍卖会上以超过 13,000 美元的价格售出。

        1973 年，宝丽来相机甚至登上了美国第一个空间站 NASA 的 Skylab，宇航员用它来记录科学实验。

       创新的 SX-70 相机因其专用光学组件（包括自由曲面）而发挥作用。 Plummer 说，当时，他和他在宝丽来的同事，包括开创性的光学设计师 James G. Baker，只是想满足他们有远见的老板、宝丽来公司的联合创始人 Edwin H. Land 的要求。相机的基本设计模型展示了他想要的便携性，但希望 Plummer 和 Baker 等专家为其构建一个可以工作的光学系统。 Plummer 说，让 SX-70 工作——倾斜和偏心的观察，“有点挑战”。

        例如，设计师发现，如果他们将球面形状的凹面镜将光线发送到相机取景器，则会导致失真，从而使图像在其上边缘显得平滑。为了纠正这个问题，他们使镜子变成了非球形的，朝向顶部变得更平坦。对于摄影师来说，抬起取景器中看到的图像的上边缘就足够了，从而解决了失真问题。

        但是改变凹面镜的形状引入了另一个称为场倾斜的问题。图像的顶部比底部更近。这可以通过将自由曲面应用于目镜进行校正，使其能力从上到下逐渐增加，重新调整图像。

        “当时我大约 30 岁，而 Edwin Land 大约 60 岁，”Plummer 说。 “我花了一段时间才意识到我的眼睛必须从照片的顶部重新聚焦到底部。但兰德对我说，‘我只能看到一小块尖锐的区域。’”

        普卢默意识到兰德患有老花眼，即随着年龄的增长，眼睛会失去聚焦能力。

        镜片上的渐进屈光度自由曲面解决了焦距变化问题，对老年用户有很大帮助。但是自由曲面目镜和非球面凹面镜一起引入了一个新的困难，即眼睛瞳孔顶部和底部之间焦点的变化。这是彗差，是所有人的问题。人眼没有肌肉来矫正它。

        虽然摄影师眼睛上的自由曲面隐形眼镜可以修复彗差，但 Plummer 意识到这在商业上并不现实。相反，普卢默在相机取景器的孔径光阑附近安装了一个自由曲面的非球面校正板。由于凹面镜和目镜共同作用，将其成像到眼睛的瞳孔上，因此它起到了虚拟隐形眼镜的作用。

        当被问及“自由曲面光学”一词的来源时，普卢默回答说：“我不知道。我在一次会议上做了一次演讲。这是一个关于自由曲面的主题演讲，我对这个邀请有点惊讶。然后他们告诉我我是先驱者之一！所以，我不得不谈谈。”

        因为他们正在制造一种商业产品，Plummer 和他的同事们还必须设计包括一些第一个计算机辅助光学制造在内的技术。 “当时，我知道整个行业都在为涡轮叶片之类的东西制作有趣的形状。我们买了一台机器，它就像一台大型铣床，由计算机上的穿孔胶带控制。在电话线上花了很长时间才得到没有错误的穿孔胶带！”

        对于计量学，Plummer 使用激光引导轮廓仪来测量光学表面的关键尺寸。然后，他可以根据已建立的数学公式手动检查结果，以确保成型工具和最终产品的准确性在人眼公差范围内。

        在 2000 年代初期，随着数码相机的出现和原始宝丽来公司的消亡，SX-70 及其自由曲面光学组件逐渐淡入摄影历史。但在过去十年左右的时间里，人们对自由曲面的兴趣一直在重新加速。它在很大程度上是通过计算机数控 (CNC) 技术实现的，即对包括钻头、车床、磨床、抛光机、割炬和 3D 打印机在内的工具设备进行预编程的计算机控制。消除旋转对称性后，必须对光学表面进行数学精确控制。

        “经过超过 125 年对镜头元件的设计、抛光和测试，这些放置在圆管中的，通常为球形表面的，具有旋转对称的镜头元件，包括单反相机和显微镜物镜——计算机控制已经推动了其快速变化进入进步领域，”罗切斯特大学的 Jannick Rolland 和 Synopsys Inc. 已故的 Kevin Thompson 在一篇关于该主题的开创性论文中写道。

        自由曲面的扩展可能性包括使用各种非圆柱形形状和具有定制光学特性的表面。自由曲面光学元件可以减少镜头中所需的组件数量，并消除可能困扰传统光学元件的色差。例如，照明系统中使用的自由曲面光学元件可以通过控制光强分布来提高光能效率。自由曲面反射器可能提供给汽车的驾驶员大视野的侧后视镜。对于在重量和尺寸方面需要轻松系统集成的设备，具有复杂形状或自由曲面的透镜和反射镜可能是一个很好的解决方案。

        虽然许多自由曲面光学是用玻璃制成的，但其他材料包括金属和聚合物，甚至液体（其形状受电荷控制）也已作为一种用于微观应用的自由曲面光学器件进行了研究。

        “对我来说，它开始于我为增强和虚拟现实开发头戴式显示器的时候，”Rolland 谈到她从 2000 年代初开始对自由曲面产生的兴趣时说道。 “这样做时，我意识到我们将需要更复杂的表面和形状——我们不能只用传统的光学设计来做到这一点。”

        当罗兰在 2009 年搬到罗切斯特大学时，她说：“自由曲面光学背后没有数学理论，也没有专用的制造设备或标准化的工艺链。很难在更广泛的范围内兑现自由曲面的技术承诺。”

        因此，2013 年，在大学同事的支持下，她与位于夏洛特的北卡罗来纳大学 (UNC) 合作建立了自由曲面光学中心 (CeFO)，并得到了美国国家科学基金会的支持。这是一个行业/大学合作研究计划，包括行业附属成员，其中罗兰是主任。

        CeFO 的使命是通过行业合作推动自由曲面光学的科学和应用。除了生产设计、加工和工艺链外，该中心还研究新材料、制造方法和计量学。

        “我们加入 [CeFO] 的原因之一是因为他们确实在努力实现更好的设计空间标准化和扩展设计空间，而且他们还拥有计量学，”DeGroote Nelson 说。 “对于自由曲面，与大多数光学器件一样，将受到测量光学器件方式的限制。所以，如果你不能测量它，你就做不到。”

        在夏洛特北卡罗来纳大学，CeFO 现场主管 Thomas Suleski 表示，正在研究的自由形状材料包括玻璃、塑料和金属，以及锗、硫化锌和碳化硅等其他材料。使用的材料取决于应用是透射光还是反射光，以及从极紫外光到红外光的透射范围。

        Suleski 说，对他来说，自由曲面令人兴奋的是它是可以实现的。 “通过摆脱对对称性的要求，您可以开始跳出框框思考系统的外观、光线的去向以及可以使用的地方。我们可以添加新类型的功能性能或操作：它可以使现有系统性能更好，并且可以用来使系统更小更轻。”

        CeFO 的一个关键功能是培训学生，他们将在未来几年进一步发展自由曲面光学设计。 “没有他们，中心就无法运转，”苏莱斯基说。 “在 CeFO 项目中的学生总体上表现非常出色。这些项目具有挑战性且相当激进，有教师的指导和监督，并与行业合作伙伴定期互动。这与一些学术研究有点不同，在这些研究中，你可能只是自己去研究一个想法，然后写一篇论文。”

        这种环境可能与 Plummer 在宝丽来制作 SX-70 的经历没有太大不同。 “我们在早期就在制作一般形状 [自由曲面]，因为知道可以用现代机器做什么，”他说。 “但如果你看看我们为将其投入生产所做的工作——我做了什么，吉姆贝克做了什么……至少有 15 个人，没有一个人可以完成别人的工作。这是真正的团队合作。”