大多数人习惯于看到曲率半径非常固定的镜片。典型的镜片表面有平面、凸面、凹面或这些表面的任意组合。即使是非球面透镜或圆柱透镜，仍然有相当直接和成熟的方法来描述这些类型的表面。但自由形态光学呢？非球面光学的设计包括球面、非球面和环面的任何混合。自由形态光学元件不受这些参数的限制。它们不具有标准光学元件所具有的旋转或平移对称性。自由形态光学元件可包括透镜和反射镜。与对称元件相比，这些自由形态元件所具有的不对称性提供了更多的自由度。

自由曲面光学系统的优点
与其他光学系统一样，自由曲面光学系统也可用于补偿像差。但与其他光学系统不同的是，与对称元件相比，自由曲面光学系统的自由度更高，可以更好地校正像差，包括同时校正不同的像差。因此，自由曲面光学系统往往具有更高的视场角和更大的数值孔径。使用自由曲面元件还能获得更深的景深。在许多情况下，与使用旋转对称元件相比，使用自由曲面光学元件还能最大限度地减小系统的尺寸。它还能改善每个元件的功能。因此，自由曲面光学技术可以减少系统中所需光学表面的数量。这就减小了系统的整体尺寸，降低了系统组装的复杂性。

自由曲面应用
自由曲面光学器件可用于各种系统。抬头显示器 (HUD) 和头戴式显示器 (HMD) 是自由曲面光学元件非常有用的两个领域。自由曲面元件使得创建更紧凑的 HUD 系统成为可能，尽管瞳孔位置不同，但仍能优化性能。其他应用领域还包括汽车行业驾驶辅助系统中的传感器。一些成像系统和照明系统也使用自由曲面光学元件。

自由形态光学元件已被用于许多 LED 系统中。其设计目的是更精确地控制发射光的强度分布和模式，并提高效率。白光 LED 的角度色彩均匀性也得到了改善，使照明在更大的角度范围内更加均匀。

显示使用传统反射镜和自由曲面反射镜的奥弗纳光谱仪配置之间差异的图表。美国国家航空航天局提供。

在某些情况下，自由形态元件取代了用于折叠光束路径的反射镜。例如，NASA 在其未来十年的路线图中总结了使用自由形态光学元件的效果。其中一项建议是在奥弗纳分光计设计中用自由形态反射镜取代传统反射镜。他们报告说，使用两面自由形态反射镜可以将奥弗纳分光计的体积缩小五倍。更令人印象深刻的是，美国国家航空航天局报告说，通过使用所有自由形态反射镜，奥弗纳分光计的体积可缩小 50 倍，而视场保持不变。自由曲面还能更好地补偿以陡峭光线角度射入的入射光。通过模拟自由形态配置，畸变校正和设计体积都得到了优化。自由曲面光学器件确实具有明显的优势，但要确定自由曲面透镜或反射镜的特性却是一项挑战。

自由形态光学器件的设计
自由曲面光学设计中比较常见的方法之一是直接映射法。直接映射将光源的光分布与目标的理想光分布联系起来。从这些分布中，可以通过拟合或内插的方法从数据中提取出自由曲面光学器件的理想曲面点。有几种不同的直接映射方法，但都已被证明能准确描述高质量透镜的特性。

制造方法
自由形态元素的制作方法通常与创建旋转不变元素的方法相同。

有一个 Zernike 多项式函数可以帮助描述使用自由曲面时波前误差的偏差。 这是量化透镜质量的一个重要指标，特别是因为它常用于旋转对称光学元件。由于这是一个非常常用的指标，许多制造和测试软件都使用 Zernike 多项式对表面进行精确的数学描述。这使得使用现有程序表征自由曲面变得容易，尽管可能需要更长的时间和更多的数据。

加工自由形态元素
将透镜磨削（或铣削）和抛光成自由形状是多种加工方法之一?？梢允褂米晔懈罨蚰擅浊懈罾词迪志烦尚?。在镜片制造中，通常使用慢速滑动伺服器或快速工具伺服器进行金刚石车削。

注塑成型
自由形态光学的最新发展使得使用液态聚合物制造透镜成为可能。注塑成型可以快速制造大量透镜。注塑成型已被用于制造围绕光轴旋转对称的光学元件。但在自由形态系统中，由于必须更仔细地考虑所有六个自由度，因此变得更加棘手。

要使用注塑成型技术制造结构良好的透镜，第一步是制造精确的模具。模具一般用软件描述，并用数控机床加工。轮廓仪可用于测量模具表面的精度。一旦模具的质量令人满意，就可以注入所使用的材料。与所有光学设计一样，在选择材料时，必须考虑材料的质量和特性，以及它们如何随入射光波长的变化而变化。