作者： 时间：2024-07-12
日本Nalux公司成立于 1960 年，Nalux的企业愿景是”用纳米光学照亮通往未来之路“。本文主要介绍Nalux的自由曲面光学元件、超精密/精细表面加工、透镜单元/光学模块、导光板和导光杆（Ligth Guide Plate and Light Guide Rod）等产品的参数、特点、原理和应用。
一、自由曲面光学元件
"自由曲面 "是一个通用术语，指没有对称性等限制的平滑曲面。自由曲面的定义方式多种多样，例如 XY 多项式等解析函数和使用 3D CAD 建模的多曲面。由于自由曲面的灵活性，将其用于光学元件的透镜表面和反射表面，有望在离轴光学系统和具有不同特性的光学系统中产生显著效果，例如改善光学特性、减少光学元件数量和实现装置小型化。
自由曲面一般不具有轴对称性，因此无法使用超精密车床进行加工，超精密车床通常被想象成透镜加工设备。自由曲面加工需要使用三轴或五轴配置的超精密多轴机床。
为了达到光学元件所需的亚微米级形状精度，不仅是加工设备本身，旋转刀具的设计、最佳加工路径的选择、CAM（计算机辅助制造）软件的维护，以及在数小时至数天的加工时间内确保定位稳定性和抗震环境的温度控制都是不可或缺的。由于形状测量和校正加工需要类似的质量，因此与使用超精密车床加工旋转对称表面相比，这是一项难度极高的加工。日本Nalux多年来一直从事自由曲面光学元件的设计和制造，拥有多项设计专利和制造技术。
我们的加工能力：
- 模具加工、考虑成型工艺的光学设计、产品设计阶段的优化
- 长期稳定精加工工艺（抗温度、抗震等）
- 高精度评估技术和修正技术
产品示例
1、用于激光束打印机的 f-theta 镜头
f-theta 透镜的畸变特性用关系式 y=f-theta 表示，"y "是图像高度，"f "是焦距，"theta "是半视角（入射角）。这些镜头用于激光束打印机的扫描光学。
自 1989 年以来，日本Nalux公司一直在生产用于激光打印机的塑料自由曲面 f-theta 镜头。传统的激光打印机扫描光学系统需要多个玻璃球面透镜和长圆柱透镜的组合。通过采用自由曲面，提高了像差校正的自由度，大大有助于减少扫描光学系统中使用的透镜数量，降低了激光束打印机的体积和成本。
我们在f-theta透镜方面的特殊能力：
- 从光学设计和产品分析到模具加工、生产和质量保证提供始终如一的支持
- 考虑到内部应变引起的双折射和吸湿引起的光学特性变化的产品设计
- 通过原始功能评估设备保证质量
2、自由曲面镜・棱镜
长期以来，日本Nalux公司一直将自由曲面反射镜视为一种反射面为自由曲面的光学元件。在离轴反射光学系统中，旋转对称光学元件很难控制像差，因此采用自由曲面是必不可少的。多年来，日本Nalux一直在为相机取景器生产自由曲面棱镜。近年来，由于数字化的发展，相机取景器已很少使用，但使用自由曲面镜和棱镜的反射光学元件，如 HUD（抬头显示器）和 AR 眼镜，仍在许多产品中使用。
反射光学元件的另一个特点是可用于树脂无法透射的波段，而且不会产生色差。日本Nalux还生产使用多面自由曲面镜的反射光学系统单元。
我们在自由曲面镜方面的具体能力：
- 可制造对角线长达约 200 mm的镜面
- 表面粗糙度 Ra5nm 或以下（具体表面粗糙度取决于镜面形状）
- 高反射涂层、半镜涂层等能力
二、超精密/精细表面加工
启动纳米级超精细加工的开发工作，运用高精度光学元件和生物仿生学，以新的表面结构创造新的业务。
什么是超精密/精细表面加工？
其目的是通过在产品或工具表面形成小于光波长度的非常精细的结构图案，提供各种光学和物理功能。
Nalux的光刻技术
Nalux一直在利用各种设备，例如Nalux自己的光刻设备和位于东北大学的纳米技术综合支持中心的精细加工平台的外部半导体加工设备，努力进行超精细表面加工的研发。Nalux的目标是通过应用生物仿生学（即复制生物的表面结构，从而提供防反射和防水功能等表面特性）开展研发工作，开发新的业务。
ARS（防反射结构）
蛾眼具有非常精细的波峰和波谷结构，具有抑制光反射的功能，这种结构被称为 ARS（防反射结构）。在光学部件上实现防反射功能的传统方法是通过真空沉积进行镀膜，而通过精细表面处理产生的 ARS 具有光入射角依赖性低、镀膜原则上不会分层或出现裂缝等优点，甚至适用于 PMMA 等镀膜附着力较差的材料。
工作原理
光的折射是由折射率的急剧变化引起的，例如当光从空气进入透镜时。如果透镜表面的结构间距小于光的波长，光的反射就会被抑制，因为这些结构有助于使折射率的变化更加平滑。
Nalux 的 ARS 特性
- 通过将凸面改为凹面，改进了透镜上蛾眼结构的形状转移
- 独特的加工工艺可在曲面和大面积上转移蛾眼结构。跟踪记录：直径 60 mm
- 通过使用Nalux自主开发的独特光学设计软件，可进行优化结构设计
- RIE（反应离子蚀刻）技术适用于镜片的直接加工
RIE 应用和加工示例
- 适用于阳光直射下使用的照明镜头和要求高可靠性的汽车应用
- 成像和传感器系统
- 需要防尘特性的镜头产品，如医用内窥镜
应用于对光线入射角有高度依赖性的光学领域
基底材料，如硅、聚碳酸酯、丙烯酸、熔融石英等。
我们对各种材料的跟踪记录：
熔融石英的 ARS 加工实例
在右侧有 ARS 的熔融石英上看不到反光，而在左侧没有 ARS 的熔融石英上看到 "墙上的字母 "的反光。
使用 ARS 技术实现超疏水特性（防水性）
在镜片表面生成 ARS 等精细结构的技术适用于控制材料表面的润湿性。众所周知，荷叶具有防水性，这就是自然界中的 "荷叶效应"。之所以能产生这种效应，是因为荷叶表面的凹凸结构增强了防水性或疏水性。因此，我们可以利用荷叶效应，通过精细结构来控制润湿性。
这样做的好处之一是，对于不适合采用真空沉积或喷涂等传统防水工艺的材料，我们可以通过蚀刻工艺直接在镜片表面形成疏水性，另一个优势是可为镜片提供防污效果。
其他应用实例：黑硅
如果在具有微细结构的基材上进行防水涂层，而不是在平整光滑的基材上进行防水涂层，则防水性能会变得更强。
我们实现了 160 度以上的超大接触角（一般来说，接触角超过 150 度称为 "超防水状态"）。
三、透镜单元/光学模块
Nalux不仅提供透镜和反射镜等光学元件，还提供由多个光学元件、光源和包括图像传感器在内的电子元件组成的透镜单元和光学模块。我们实现了各种装配自动化，例如利用元件机械精度的被动对准，以及执行光学调整监控光学功能的主动对准。
Nalux 透镜单元和光学模块的特点
使用装配设备进行自动装配：
- 通过从光学设计到生产的一站式服务优化产品和工艺设计
- 通过自主开发的光学功能评估设备保证质量
产品示例
1、内窥镜透镜单元
这是一种采用非球面塑料镜片的小型高质量透镜单元。与传统的玻璃透镜单元相比，塑料透镜单元的批量生产能力更强，因此适合一次性使用。它不仅非常适合用于医疗和工业领域的小直径内窥镜，也非常适合与用于观察治疗部位的治疗仪器和其他工业设备集成。我们还可以提供装配有传感器和照明装置的摄像头模块（FISCam）和玻璃透镜单元。
设计规格
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材料 |
塑料 |
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透镜直径 |
φ1.3 mm |
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单位总尺寸 |
φ1.3 mm × 1.37 mm |
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视场角（对角线） |
120° |
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F 数 |
6 |
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焦距 |
0.570 mm |
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物距 |
3-200 mm |
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MTF@140Lp/mm 圆形图像 |
中心 > 40％ |
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外围（图像高度 70％） > 35％ |
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φ1.0 mm |
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工作温度 |
+12℃ ~ +40℃ |
应用实例
- 医疗和工业内窥镜
- 与治疗设备集成，用于监测治疗过程中的状况和其他用途
- 观察螺孔内部
- 小直径管道内表面的目视检查和质量控制
图像示例
图像传感器：Omnivision CMOS 传感器 OV6946
2、反射光学元件
在一般光学系统中，透镜需要由具有透光特性的材料制成，因为光在系统中会通过透镜。在可见光区域，可使用塑料、玻璃和熔融石英等透明材料。但是，在远红外线区域，这些材料不能透光，因此需要使用专门的材料，如能透射远红外线的锗和镓。
相比之下，反射光学系统只对材料表面进行反射，因此与材料的光透明度无关。从涂层的角度来看，金属涂层，尤其是用于可见光到近红外区域的铝和金涂层，在远红外区域仍然具有很高的反射率。因此，在塑料表面涂上金属膜涂层后，我们就能生产出从可见光到远红外线区域都具有均匀高反射率的镜子。
针对远红外线应用，Nalux提供了一种反射光学装置，其塑料镜面带有金属涂层。我们充分利用Nalux多年来通过满足客户对用于激光束打印机的 f-theta 透镜的各种要求而积累的自由曲面光学设计和生产技术，成功开发出高品质的反射光学元件。
反射式光学系统的另一个优点是系统中不会出现色差。因此，我们的反射式光学系统不仅适用于拍摄远红外图像，也适用于其他应用，例如利用从可见光到远红外的大范围光线进行分析。
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主要特点 |
可大规模注塑成型，有助于降低成本 |
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由于不使用 Ge 等特殊材料，因此材料供应稳定 |
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由于全部采用塑料部件，因此重量轻 |
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无吸收带，波长依赖性低，反射率高，光利用效率高光学特性 |
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可用于可见光、近红外、太赫兹以及远红外区域 |
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由于采用反射式光学器件，因此不会产生色差 |
图像示例
3、FISBA READYBeam™ 激光光源模块
FISBA READYBeam™ 是一种紧凑型单模多色激光光源模块，带有嵌入式电源和热控制系统。提供四种波长组合，可为您的应用选择最合适的波长组合。通过单模光纤可输出高达 40mW 的高质量光束。每个通道的输出均可单独设置。
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主要特点 |
紧凑型一体化光源模块 |
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集成了电源和热控制器 |
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通过控制每个激光二极管的输出，可选择任何颜色 |
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可通过数字或模拟外部信号进行调制 |
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应用实例 |
用于显示应用的照明 |
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流式细胞仪 |
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分析仪器和医疗检查仪器的激发光源 |
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专业医疗照明，包括内窥镜照明 |
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眼科、牙科和兽医领域的光动力疗法和光热疗法 |
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工业内窥镜照明 |
规格
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尺寸 |
77 mm x 40 mm x 37 mm |
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波长 |
bio1:405 nm / 488 nm / 638 nm |
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bio2:488 nm / 520 nm / 638 nm |
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ind1:450 nm / 520 nm / 660 nm |
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Ind2:450 nm / 520 nm / 638 nm |
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输出功率范围 |
每个波长 >30 mW |
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光纤连接器 |
APC |
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光纤类型 |
单模（保持极化） |
* 这些都是 FISBA AG 的产品，FISBA AG 是Nalux的联盟公司。
4、FISBA RGBeam™ 光束
FISBA RGBeam™ 是定制紧凑型激光光源的平台。通过调整包括 LD 在内的结构，可根据应用和要求定制激光模块。选择范围从单模光纤（SM）到自由空间传播（FS）和多模光纤（MM）。
应用实例
- 流式细胞仪
- 自动检测和筛选
- 共聚焦显微镜
- 显示和投影
示样
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尺寸（SM） |
30 mm x 15.5 mm x 9 mm |
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尺寸（FS） |
22.5 mm x 13.5 mm x 9 mm |
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波长 |
紫外 - 近红外 (FS) / 可见光 (SM) |
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输出功率范围 |
mW |
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多模光纤 |
NA 0.12 / 0,22 / 0.39 / 0.5 |
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单模光纤 |
NA 0.12 |
* 这些都是 FISBA AG 的产品，FISBA AG 是Nalux的联盟公司。
四、导光板和导光杆（Ligth Guide Plate and Light Guide Rod）
什么是导光板和导光杆？
到 21 世纪，LED 光源已被广泛使用，而导光板和导光杆则分别用于将 LED 的点光源转换为区域光和线光，这些统称为导光板。
导光板的特点
从导光板侧面射入的光线会被完全反射并在导光板内部传播，但表面上的微棱镜会因凹槽或圆点而产生反射和/或散射，从而将光线引导到导光板外部（发出辐射）。发射区域和强度可通过微棱镜（光学瓣）的密度和导光板内行进光的光通密度来控制。
前 Colcoat 公司的 Optronics 事业部很早就解决了光学图案设计和加工问题，通过注塑成型技术批量生产和供应导光板。Nalux继承了这一业务和技术，并与Nalux技术相结合。
我们设计和生产的导光板应用范围非常广泛，如汽车内饰照明、时钟发光指针、扫描仪读取光源、打印机鼓擦除器、家用安全灯、照明指示灯等。
1、用于 LCD 背光的导光板
液晶显示器背光源有两种方式，一种是使用导光板的边缘光源方式，另一种是在液晶显示器背面直接安置 LED。由于液晶显示屏可以通过导光板做得很薄，因此屏幕对角线尺寸小于 20 英寸时通常采用边缘采光方式。
Nalux LCD 背光用导光板的优势：
Nalux的液晶背光源用导光板是通过注塑成型生产的，精确地转移了通过机械加工在模具上制作的精细棱镜图案（微棱镜）。
在模具上生成光学图案的另一种方法是压模法。微棱镜法可以将光线反射到所需的方向，从而有效地利用光线。将这种微棱镜放置在板的两侧，通过优化脊线和微棱镜横截面的设计，可以进一步提高亮度均匀性。由于Nalux的导光板具有出色的性能和稳定的质量，Nalux的导光板被要求最严格的高档汽车数字仪表所采用。
此外，最近的汽车数字仪表倾向于使用非矩形液晶显示屏和/或曲面液晶显示屏，我们已成功开发并批量生产了适用于此类特殊形状 LCD 的导光板，领先于其他公司。
理想的光角分布
高效用光
左图：打点类型，只使用打在点上的部分光线，其余部分则从侧面和边缘泄漏。
右图：我们的微棱镜类型，光打到棱镜上会被反射出去，剩下的直射光会在到达边缘之前完全射出。
2、什么是用于图像扫描仪照明的导光杆？
在使用线性图像传感器的扫描仪应用中，线性照明光源用于照亮读取区域。导光杆用于均匀地引导位于端面的 LED 光源发出的光线，从而照亮细长的线条区域。
Nalux 导光杆的特点：
为了实现均匀照明，在导光杆的一个方向上形成微棱镜。这项技术是我们在开发液晶背光源用导光板的基础上发展起来的，即开发和积累了优化微棱镜截面形状和间距的导光板设计和加工技术。
微棱镜反射的光通过透镜作用在出光面聚光。导光杆类型最初用于 CIS（接触式图像传感器）类型。通过我们的专利技术--独特的光控制技术和精密加工技术，我们已将其应用扩展到更为严苛的 CCD（电荷耦合器件）类型。
专利技术：
光出口表面的光栅式透镜用于扩散目的，透镜的高度、直径和数量都是为实现稳定照明而设计的。
丰富的开发和批量生产经验：
导光杆长度从120 mm到 460mm不等。
光源为白光 LED 和 3合1 型 LED。
应用领域：多功能打印机、纸币识别机、记分卡阅读器、白板、高速文档扫描仪。
读取方式：CIS 和 CCD 两种类型。
我们在设计/开发各种用户个性化需求方面拥有丰富的经验。这通常需要非常狭小的空间，对达到要求具有挑战性，但Nalux会利用光学模拟，在最合适的 QCD 平衡下制造满足应用要求的定制产品。此外，我们还可以设计和提供用于打印机电荷擦除器的光导杆。
3、什么是照明指示灯的导光板？
通过注塑成型制成的导光板扩大了发光指示器的设计灵活性，可提供直观的指示，有助于增加设计和产品的价值。此外，它还可安装在无法使用电子印刷电路板的区域。
Nalux 导光板的优势
要在设备中有效照明导光板，需要丰富的专业知识和经验。固定结构、剩余浇口、顶针痕迹、焊接线，所有这些都会影响设备的外观。
从规划阶段开始，我们就与各工业领域的许多客户合作开发了许多导光板。因此，我们已经积累了通过反射/折射控制光线的设计知识。所有这些都使我们能够提出和支持合理的计划，满足不同形状和照明方案的个性化要求。
作为机器人界面（人机界面）的发光显示器
现在，你可以看到各种自主机器人在我们生活的同一空间工作，如服务机器人、清洁机器人、物流机器人等。在协作机器人（COBOTS）中，便于交流的发光显示屏将有助于高效运作和相互信任。快速、清晰地传达机器人的行动或想法非常重要，例如："机器人想要做什么？"、"机器人想要做什么样的任务？"、"机器人想要我们做什么？"没有这些，我们就无法迅速采取适当的行动。虽然液晶等标准化显示屏在信息量方面更胜一筹，但却不足以直观地传达信息。在机器人身体的适当位置安装发光显示屏将能改善这一问题。
4、Ligth Flow Guide
什么是 "Ligth Flow Guide"？
它是一种革命性的导光板，只需在一端或两端安装少量 LED 装置，就能在长条形带状区域上实现各种表现形式。所有的表面区域都可以被均匀地照亮，甚至可以表现出平滑的流动或流光（动画）。使用 RGB 3 合 1 型 LED 光源，可以真正实现迷人的色彩表现。
光流导的特点和可想象的应用：
- 您可以实现均匀的线条光，而不会出现典型的 LED 颗粒状外观。由于颗粒状外观有损空间的沉稳庄重，汽车内部照明（环境照明）一直采用导光板。如果采用流动导光板代替传统导光板，就可以增加各种性能表现，在高级 AD 和 ADAS 环境中，除了需要传达多样化信息的照明之外，还可以提供合适的显示效果。
- 由于可以扩大安装自由度，因此适合作为自主机器人和协作机器人或 cobots 的人机界面（HMI）。
- 它将使显示屏具有丰富的设计感和安心感，通过空气净化器和净水器运行状态的可视化，它将提高情感和实验价值。
- 直观易懂的颜色和光的移动，适用于操作和移动导航。
- 与电容式触摸传感器相结合，可实现触摸输入设备。
