光学自由曲面制造的基础研究
自由曲面光学虚拟制造与检测系统的探讨
文章编号!"##$%$#&$’$##()#(%#*&+%#(自由曲面光学虚拟制造与检测系统的探讨杜雪,王尔祺,李荣彬,张志辉’香港理工大学工业及系统工程学系先进光学制造中心,香港九龙)摘要!自由曲面光学产品设计-制造与检测的工艺流程,通常采取试凑法逐次逼近.由于加工%检测%再加工,循环往复,既费时,成本又高,产生了瓶颈问题.为了解决此弊端,本文运用虚拟制造技术,提出光学虚拟制造的基本构想,即虚拟制造系统结构模型,给出光学系统虚拟原型的构成和光学系统成像质量虚拟检测系统的构成,讨论光学成像质量的仿真检测以及敏度分析方法.研究结果表明!运用虚拟制造与检测技术,可缩短研发周期,降低成本,优化工艺并提高产品质量.关键词!光学技术与仪器/自由曲面光学/虚拟制造技术/像质仿真检测中图分类号!012*文献标志码!3456789:;<9:=5:59=6:>9?<@A <5?B <C 9?>:5;D >=C 7E ?>7B =>B >77B =>A =D 9:C 8F G 0H ,I J %K L M3N O ,M G P G Q I I ,R G S G R 1I T N O’3U V W X Y Z H [\L Y ]^W X _‘W Y \_J L X aR Z X \J Z ,b Z [W J \c Z X \d ‘\e Z f X U _]\J L W gW X UF h ]\Z c I X a L X Z Z J L X a ,0e Z 1d X a i d X aj d g h \Z Y e X L Y T X L V Z J ]L \h ,1d X a i d X a ,R e L X W )k l 89><C 9!F _Y Y Z ]]L V ZW [[J d m L cW \L d Xc Z \e d UL ]W U d [\Z UL X\e ZU Z ]L a X ,cW X _‘W Y \_J Z ,W X U\Z ]\d ‘‘J Z Z ‘d J c d [\L Y ]G0e L ]W [[J d W Y eJ Z K _L J Z ]J Z [Z W \Z U\J L W g %W X U %Z J J d J [J d Y Z ]]Z ]n Z ‘d J Z W]W \L ]‘W Y \d J h J Z ]_g \L ]W Y e L Z V Z U 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Z [J d U _Y \K _W g L \h G t 7uv =>E 8!d [\L Y W g \Z Y e X d g d a hs L X ]\J _c Z X \]/‘J Z Z ‘d J c d [\L Y ]/V L J \_W g cW X _‘W Y \_J L X a /L c W a Z V L J \_W g \Z ]\L X as ]L c _g W \L d X引言自由曲面光学元件是根据现代光电信息系统对信息发送-接收和传递功能的特殊需要,突破传统光学成像的概念,随意构造的奇异光学元件.这种光学元件用传统制造法是难以完成的,只能建立在超精密先进光学制造技术的基础上,利用金刚石单刃车-铣及磨削等超精密加工工艺,获得亚微米量级形状精度和纳米量级粗糙度的光学镜面.因此,这种新的工艺技术,可用于直接加工自由曲面光学元件及其注塑模芯,大批量生产塑料光学元收稿日期!$##(%#+%"(/修回日期!$##(%#(%$#作者简介!杜雪,女,英国布尼尔大学硕士,香港理工大学博士,助理教授,长期从事超精密加工技术及精密注塑技术与材料科学研究.第$2卷第(期$##(年""月应用光学w d _J X W g d ‘3[[g L Z UH [\L Y ]q d g G $2,N d G (N d V G ,$##(件!从而为市场提供价格低廉的精密光学"电子产品#由于超精密光学加工是一种技术水平要求非常高的复杂工艺技术!通常需要经过$加工%检测%再加工&&循环往复数次才能完成!既费时!成本又昂贵!这成为整个流程中的瓶颈#虚拟制造技术的运用!是拓宽该瓶颈的有效途径#虚拟制造’()*是+,世纪-,年代发展起来的一门新技术!通过计算机对新产品的设计与制造过程进行模拟和仿真!使设计者可以在计算机上.制造产品/#这不仅可以提高新产品的设计与制造质量!还可预测和控制产品的成本与质量!并缩短开发周期!增强企业在全球化市场的竞争力#该技术虽已得到广泛应用!但在光学超精密制造工程上正处于发展研究应用阶段#文献01234对光学超精密虚拟制造系统的研究作了报导!推动了光学产品虚拟制造技术的发展#本文拟对自由曲面光学产品的设计"制造与检测的计算机仿真进行探讨!从光学系统的特点入手!讨论自由曲面光学虚拟超精密制造与检测的基本构想#1传统制造流程及其存在问题光学产品设计"超精密加工与检测流程如图1图1自由曲面光学原型虚拟制造与检测流程图5678196:;<=>?=@<A =B ;<:C =@D ;C E ;F :G B C D <:CA G :F :G ;G ;H F C A :C C A G :?G F ;6B E所示#从.运用研究/开始!将使用要求转换成光学设计的技术性能指标I 进行光学系统的优化设计!给出光学设计结果J 原型试制J 检测J 修改与完善设计I 投入大批量生产#现就主要的几个问题进行讨论#181运用研究在光学产品研发中!怎样才能满足用户提出的使用要求K 目前!大多是凭经验进行分析和判断!以协调需要与可能之矛盾#其主要的缺点是缺乏可靠的评价标准!所确定的设计技术性能指标难以达到组合匹配的优化!由此导致产品开发失败的事也偶有发生#为了利用计算机辅助.运用研究/!首先应当按照系统学和信息论的观点!将系统中参与产品设计和制造的各个环节进行分类"综合与分析研究!建立相应的数据库!如图1所示#这是一项难度和工作量相当大的数字化的研究工作!此前已有人在光学设计的数据库方面做了大量工作!并且在不断充实中#香港理工大学先进光学制造中心在发展超精密金刚石单刃车削制造技术与超精密光学测量技术方面!为建立光学数据库打下了实验基础#根据超精密光学制造的应用范围和发展前景!在建立数据库时!可将典型的光学系统大致分为下列L 类$1*自由曲面光学系统M +*(槽阵列光学系统M 3*二元光学系统M N *衍光光学系统M O *微透镜阵列光学系统M P *显微光学系统M Q *望远光学系统ML *照相光学系统#从大量的先进光学技术文献与数据中!可以筛选整理出每一类典型的光学系统结构形式及其光学性能数据!以供发展研究与设计制造应用#数据库建立后!可根据使用要求与光学系统性能指标"材料的光学物理特性等方面的某种因果或制约关系构成目标函数!以各种可能的技术条件作为约束!利用优化算法来探讨寻优问题#由于使用要求大多是多目标函数!甚至有的目标之间存在相互制约关系!如望远光学系统的设计技术性能指标中!大倍率与大视场的要求是相互制约的!不进行协调难以实现#因此!在探讨利用计算机辅助运用研究时!同样必须深入研究这个物理工程的内在规律#或者采取主目标函法!或者采取加权求和法!建RP L N R 应用光学+,,P !+Q ’P *杜雪!等$自由曲面光学虚拟制造与检测系统的探讨立评价函数来探讨寻优问题!使所设计产品的光学设计参数与光学性能指标的组合匹配达到相对的优化解!使"运用研究#逐步走上数码化设计的轨道$%&’光学系统的优化设计光学系统优化设计是近()年来随着计算机与计算技术的发展而迅速发展起来的!相继出现了不少软件包$利用光学设计专用软件进行光学设计时!设计者应先给出光学系统结构形式*受控制的像差个数*像差的目标值+即像差的公差容限,以及评价函数中的人工权因子$然后!计算机将按照一定的程序!自动改变透镜的曲率半径*间隔或厚度!甚至调整材料的折射率!即进行像差自动校正和像差自动平衡$经过这样的-./流程之后!最终获得像质优良的光学系统及其结构参数的最优组合!并给出光学公差及像质评价$%&0光学原型的试制*检测及修改与完善设计原型试制一般采用下述’种方法之一1一是采用金刚石单刃车*铣及磨削等超精密制造技术!直接加工光学元件的原型2二是经超精密加工注塑模具之后!再注塑光学元件!获取原型+样品,$无论用那一种方法制造的光学元件原型!经检验合格之后!须进行装配再作系统的成像质量检验与性能测试$检测结果如果发现光学系统样品成像质量不合格!则必须修改设计或修改模具!重新制造样品!再检验$这个过程实际上是根据实测数据+凭经验,!采用了逐次逼近试凑法+34567859:8;44<4 =;3><:,$通常!加工?检测?再加工@@如此循环!需要反复数次才能完成!既费时!成本又高!它成为整个超精密光学制造流程的瓶颈$运用下述虚拟制造技术是拓宽该瓶颈惟一有效而又快速的途径A%B$’光学原型的虚拟制造研究’&%虚拟制造系统的结构模型自由曲面光学超精密加工的虚拟制造体系结构模型A%B如图’所示$由以下’个功能层和’个用户接口构成1C建模层DD创建设备模型库*工件模型库和过程模型库!为虚拟制造和虚拟检测提供所需模型和信息$C仿真层DD根设备模型*工件模型*E-程序*光学优化设计程序*成像质量检测程序等进行制造过程和检测过程的仿真$通过检测过程的敏度分析仿真!可实时预测各组成环节的误差对光学系统像质的影响程度$C建模界面DD用户通过该界面可以实现制造和检测系统与建模的交互$当现实制造设备和工程活动发生改变时!相应的模型也应及时更新$ C仿真用户界面DD用户可通过该界面从建模层的各模型库中取得所需模型!建立虚拟制造环境!交互控制设备*制造过程以及检测过程$图’自由曲面光学超精密工程虚拟制造系统结构模型F G H&’I J K L K M N O K M P Q R M Q P N O S T N U V S P V P N N V S P OS W M G R K X Y J N Z H G Z N N P G Z H’&’光学系统虚拟原型的构成’&’&%虚拟工件虚拟工件模型是仿真+实际加工,工件的几何模型和材料属性等的信息载体$虚拟加工模块+[\\,根据光学设计参数和加工机床的特性数据!仿真刀具轨迹和工件表面形貌$同时!亦可进行加工参数的优化选择和机床加工性能的评价$其功能结构如图0所示$有’个子系统1%,刀具8工件相对位置计算子系统$根据所执行的数控指令*机床的运动误差模型和动态误差模型以及切削系统动态模型!计算出某时刻刀具相对于工件的位移$运动模型仿真超精密机床的数控系统!先对数控指令进行翻译!执行相应的插补功能后!输出机床各运动轴在某时刻应处的空间相对位置$’,加工仿真子系统$实现虚拟机床的功能!仿真材料去除过程+如图]所示,!生成虚拟工件$虚拟工件模型由’个最基本的子模型DD几何+形状,子模型和误差子模型组成$^_‘]^应用光学’))a!’_+a,杜雪!等1自由曲面光学虚拟制造与检测系统的探讨几何子模型包含工件的几何!形状"信息#即工件在理想加工条件下生成的几何模型#仅与$%程序和刀具切削刃的几何形状有关#其误差仅仅反映$%程序的编程误差&虚拟加工开始之后#随着$%指令的逐条执行#虚拟工件的几何子模型也逐步修改’更新#以仿真切削过程&图(虚拟加工模块!)**"的功能结构+,-.(+/012,30425/12/56378,52/9:;91<,0,0-;3=/:6图>仿真切削过程(?@模型+,-.>(A B ;3=6:7354,;/:92,302/50,0-C 531644误差子模型包含差误数据#即根据刀具的运动轨迹#记录了加工误差数据&同时#根据误差模型计算各单项误差及其误差变换#经向量迭加后存入误差子模型中&综上所述#虚拟加工过程结束后#所生成的虚拟工件包含了工件的几何信息和误差信息&由此构成的光学元件虚拟原型#为加工精度的预测和误差分析与补偿提供了完整的信息&D .D .D 虚拟工件的检测虚拟检测模块!)E *"的功能结构如图F 所示&通过对虚拟工件表面形貌的仿真来确定已加工表面的粗糙度和形状误差&首先#根据虚拟工件提供的仿真数据#建立虚拟表面形貌G 然后根据模型仿真测量机的工作原理#完成形状和表面粗糙度的虚拟测量!如图H 所示"#输出修正的表面轮廓&应用不同粗糙度I 波度的滤波和采样长度#可以预测和仿真表面粗糙度轮廓和波度#并且根修正表面轮廓可以确定形状误差或进行刀具路径补偿&残余形状误差补偿流程如图J 所示&首先由刀具路径编程器K L M !N O O P Q R N ST U V U W R N O W "产生控图F 虚拟检测模块!)E *"功能结构图+,-.F +/012,30425/12/56378,52/9:,04C 612,30;3=/:6图H 虚拟检测(?@模型+,-.H (A B;3=6:7358,52/9:,04C 612,30C 5316=/56程序#输入)**进行虚拟加工&)E *根据)**生成虚拟工件的仿真测量过程#输出预测的已加工表面形状精度和仿真的修正表面轮廓&如果预测的已加工表面形状精度满足精度要求#则结束刀具路径补偿过程G 否则#对原控程序进行点对点的刀具路径补偿#进入新一轮虚拟加工’虚拟检测’刀具路径补偿循环#直至预测的已加工表面形状精度满足要求&在刀具路径补偿实验中#第一轮刀具路径补偿减少残余形状误差X H .>Y#并且表面粗糙度从ZX X >Z 应用光学D [[H #D J !H "杜雪#等\自由曲面光学虚拟制造与检测系统的探讨!"#$%减少到&"!$%’()*图&形状误差补偿流程+,-"&+./012345/672389944/41/:89;735,/;虚拟制造经过加工与检测<个流程及其循环之后=可获得合格的虚拟工件>成品?*作为光学元件及其系统而言=还有一个重要环节=即需要进行光学成像质量的检测*只有通过光学成像质量虚拟检测=才能判定全系统的技术性能指标是否达到要求*<"@光学成像质量虚拟检测系统的构成由于在光学设计中=目前仍采用光路追迹方法校正几何像差=采用几何像差评价成像质量*对物镜成像质量进行检测=所得几何像差的测量结果可以直接与光学设计的光路追迹结果进行比较*因此=有必要通过测量各种几何像差的大小和分布来评价成像质量*成像质量虚拟检测系统的构成如图A中左下部分流程所示*以焦面法检测物镜系统的几何像差为例=其虚拟检测系统光路模型如图!所示*A"光源B<"聚光镜B@"滤光片B#"狭缝光阑B("平行光管物镜BC"被测物镜B&"虚拟测量显微镜B DE"区域光阑B F G H焦前F或焦后H截面I J I上<组条纹不重合BF K H区域焦点上<组条纹完全重合产生的图样图!焦面法虚拟检测系统光路+,-"!L93:8352/6M,45N3.59757O759:0,526/13.8.3;9:952/P由于区域光阑上的通光小孔可缩小成一个理想的点=细光束可缩小成一条理想的光线=因此=虚拟测量的精度是现实光学测量手段难以达到的极限*虚拟检测系统可准确快捷地测量物方不同带区的光线对=在像方的带区焦点位置建立坐标=并将实时绘制出的各种像差曲线图显示在屏幕上=便于像差的预测和成像质量的评估*<"#光学成像质量虚拟检测系统的仿真检测<"#"A光学系统原型几何像差的虚拟检测与仿真从模型库的几何子模型与误差子模型里提取光学系统的结构参数及其公差值Q面形误差与表面粗糙度信息=将它们随机迭加F在相应的结构参数上H构造光学系统虚拟原型=进行几何像差虚拟检测仿真*将检测结果的像差数据存入误差子模型=并与光学系统公差和像差容限比较=评价虚拟制造的成像质量=以完善设计与制造*<"#"<通过虚拟检测进行敏度分析仿真光学系统构造参数各个环节的误差对全系统像质的影响如何=这是敏度分析的课题*在像差虚拟检测时=从左到右按顺序逐面迭加相应的等比率的公差值=进行系统像差检测仿真=实时报告各个环节误差对系统像差贡献的大小=为进一步评价优化设计结果及进一步完善设计与制造提供了准确Q 可靠的依据*例如=对多片结构的光学系统中任何一片非球面透镜的制造质量的控制=传统的方法是难以解决的=而通过像质检测进行敏度分析仿真=这个问题就迎刃而解*@结束语虚拟加工与检测系统将为光学产品超精密制造提供一种全新的方法=使新产品在实际加工之前能够对其可行性进行评估=以节省加工试制原型的成本*利用虚拟制造技术研究超精密切削加工=能够直观地表现加工表面的形成过程=预测加工精度=使得在实际制造中优化加工条件和提高加工质量=并缩短周期=降低制造成本*成像质量的虚拟检测与敏度分析仿真=能够实时预报待测光学系统的各项几何像差=有效快捷地解决光学系统像质评价问题*这是拓宽超精密光学制造流程中原型制造造成的瓶颈之最佳途径*虚拟制造中=对虚拟光学系统原型的成像质量检测仿真=可不受实物个例的限制=可将环节不同Q 误差不等以及误差分布规律各异的信息构成待测原型=进行检测仿真=可从不同角度去研究和完善RS!#R应用光学<T T C=<&F C H杜雪=等U自由曲面光学虚拟制造与检测系统的探讨设计及制造!既灵活又可靠"参考文献#$%&李荣彬!李建广!张志辉’虚拟精密加工系统开发研究$(&’机械工程!)**%!+,-./#..0,%’12234!15(67809:789!;<2=>?;@’A B C B 7D E F G 8H F B I B J B K G L M B 8H G N 7J 6D H :7K L D B E 6C 6G 8M 7E F 68689C O C H B M $(&’;F 68B C B (G :D 87K G N PB E F 786E 7K 28968B B D 689!)**%!+,-./#..0,%’-68;F 68B C B /$)&12234!15(?!;<2=>?;@’Q L L K 6E 7H 6G 8C G NJ 6D H :7KM 78:N 7E H :D 68968:K H D 70L D B E 6C 6G 8I 67M G 8I H :D 8689$;&’5R Q PS T )**%#U D G E B B I 689CG N58H B D 087H 6G 87KR O M L G C 6:M G N Q I J 78E B I P78:N 7E H :D 689S B E F 8G K G 9O ’>78V 689#$C ’8’&!)**%’),0+W ’$+&;<2=>?;@!12234’QN D 7M B X G D Y G N 7J 6D H :7KM 7E F 6868978I 68C L B E H 6G 8C O C H B M N G D I 67M G 8IH :D 8689G N L D B E 6C 6G 8G L H 6E C$(&’(G :D 87K G N P7H B D 67K C U D G E B C C 689S B E F 8G K G 9O!)**%!%%Z -%0+/#),0W *’$W &邵立!马登哲!严隽琪!等’虚拟制造中仿真技术的应用$(&’工业工程与管理!)***![-W /#)%0)[’R <Q \16!PQ ]B 890^F B !_Q >(:780‘6!B H 7K ’R 6M :K 7H 6G 868J 6D H :7K M 78:N 7E H :D 689$(&’58I :C H D 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全时空的直接较量"这种对抗的全方位性和直接性!客观上要求指挥员必须将指挥对抗作为整个作战行动中的重要组成部分进行单独计划和组织!进而使指挥对抗从过去的指挥行为中摆脱出来!成为指挥员精心组织的e 各种作战力量密切协调的e 相对独立的作战行动"d 指挥对抗将由战中向战前位移以往战争中!虽然g 先胜而后求战h 是兵家的普遍追求!但由于战场的盖然性太强!不确定因素太多!因而指挥对抗往往在战中真刀真枪的较量展开后!才能有效实施"信息化战场上!由于信息技术的发展使得指挥信息流在作战中的主导和控制作用更趋精确e 高效!军队指挥实现了实时或近实时!因而!拥有指挥优势的一方!便可在战场上按计划e 有组织地实施作战行动f 相反!丧失指挥优势的一方将变成g 聋子h e g 瞎子h !难以有效地组织起作战行动!甚至还可能出现听从敌方g 调遣h 的被动局面"这一变化客观上要求指挥员在组织实施大规模作战行动前!充分运用各种手段与敌展开全方位的指挥对抗!以瘫痪敌方的指挥和指挥系统!夺取指挥上的优势!从而使指挥对抗开始由战中向战前位移"海湾战争中!以美国为首的多国部队在大规模空中和地面作战行动开始前!便以精确制导炸弹e 侦察卫星e 预警机e 电子战飞机e 传感器等多种信息系统和手段!对伊军的指挥控制系统进行了有力打击!并迅速瘫痪了伊军的指挥系统!这就是指挥对抗g 前移h 的典型例子"d 指挥对抗将更加依赖技术装备的支撑以往战争中!由于受技术手段等的限制!指挥对抗主要依赖于谋略和战术这些主观因素来达成!使之具有了浓厚的g 精神h 色彩"信息化战场上!随着以;W 5R A 为主的指挥控制手段的发展进步!除运用谋略和战术外!交战双方的指挥对抗将更加依赖于技术装备和手段这些物质因素"以电子对抗为例!上世纪i *年代以来!电子战便在指挥对抗中首当其冲!并成为贯穿始终的一个重要环节"时至今日!先进的信息技术及手段已成为攻击对方指挥系统的重要武器!从而使指挥对抗显现出更加明显的技术特征"-春晨供稿/j*Z W j 应用光学)**.!),-./杜雪!等#自由曲面光学虚拟制造与检测系统的探讨。
自由曲面光学
自由曲面光学
自由曲面光学是一种光学设计和制造技术，可以创造出具有复杂形状和特殊功能的光学器件。
它的原理是在自由曲面表面上控制光线的折射和反射，从而实现对光线的聚焦、扩散、分光等操作。
自由曲面光学技术的应用范围非常广泛，包括望远镜、显微镜、光学传感器、激光器、光通信等领域。
例如，在望远镜中，自由曲面光学能够优化光学系统的成像质量和灵敏度，提高天文观测的精度和效率；在激光器中，自由曲面光学可以实现高功率激光的捕获和聚焦，提高激光切割、焊接等工业应用的效率和准确性。
自由曲面光学技术的发展离不开光学材料、制造设备和计算机辅助设计等多个领域的支持。
随着科技的进步和需求的增加，自由曲面光学技术将会越来越重要，为光学研究和应用提供更多的可能性。
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自由曲面光学技术概述
3
1、经典研抛法
铣磨成型
即经过铣磨，将毛坯加工成需要的形状。 该形状需要提前做一计算，得到 最 大 去 除量形状，从而减轻后续过程任务量， 程任务量。该过程需要用到铣磨机，属 于下面要提到的粗磨的铣削加工，又称 范成法加工。
研磨
即用研磨剂，研磨光学元件表面以减少 成形过程中产产生的下表面损伤。这一 过程根据添加研磨剂尺寸不同，分为粗 磨 和 精 磨 。 精磨过程中还需要使用冷却 液，起到冷却、润滑、清洗和化学反应 等作用。精磨后的光学元件由于有凹凸 层的存在而形成不透明的表面，这也是 抛光的必要性所在。
优缺点
传统的轨迹成形法加工自由曲面，共同的特点是加工效率高，但一般难于加工高精度的自 由曲面，其根本原因在于加工所依据的轨迹的准确性差，轨迹转移精度不高，而且模具或 机构等的轨迹单一，只能加工一种尺寸一种形状的非球面，且可加工的材质有限，通用性 差， 通常只用于中低精度非球面零件的批量生产。 由于该方法已经比较成熟，并且很传统，目前，国外对这方面研究的报道很少。国内主要 是中科院长春光机所和长春理工大学在做这方面的研究工作。
1972年
发展历程 1980年
摩尔公司首先开发出了用3个坐标控制的 M―18AG非球面加工机床，这种机床可加工 直径356mm的各种非球面的金属反射镜。 英国RankPneumo公司向市场推出了利用激 光反馈控制的两轴联动加工机床，该机床可 加工直径为350mm的非球面金属反射镜，加 工工件形状精度达0.25-0.5μ m，表面粗糙度 Ra在0.01-O.025μ m之间。随后又推出了 ASG2500、ASG2500T、Nanoform300等 机床
3、CNC磨削、研磨和抛光技术
优缺点
其加工过程大致可以概述为计算机控制的精密机床先将工 件表面磨削成一个最接近自由曲面的球面，在不改变工件 面形精度的前提下，通过研磨加工去除偏离量，最后通过 抛光的方法达到曲面的表面质量要求， 左 图即为CNC磨削、 研磨和抛光流程图。此加工过程的特点是阶段多、周期长， 起始球面的选择对偏离量及工艺的制定起着决定性作用； 适合加工高精度、大及超大口径的光学元件；对碳化钨、 光学玻璃等脆硬材料有明显的优势。 不过，这种方法也有很多不足之处，如果要加工不同的自 由曲面零件，由于工件表面的光洁度和成形精度都需要通 过磨削、研磨和抛光来改善，就需要大量的研磨盘，提高 了成本，同时也增加了维护的难度；还有就是抛光过程中 不可避免的会产生一些形状误差，自由曲面的不对称度越 大，误差也就越大。
自由曲面光学元件的设计加工及面形测量之综合制造系统
合制造平台 ，主要的技术创新点如下 ：
１ 自由曲面 光学 设计 考虑 较为 复 杂 ， ） 因为光 学面 的坐 标 系统 不断 改变 ， 学表 面 用复 杂的 自由曲面 ， 光 所以 光线 追迹 及优化 比较费时 ， 差的分析 和制定也 有一定 的困难 ， 公
如倾 角、光学面位置的变化 、曲面面形误差的评定。项目 组创新地采用了边缘光线扩展度守恒的原理 ， 开发了一套
精 度 自曲 曲面 光学关 键元 件的成功 制造 ， 只依赖 数控机床 不单 的精 度 ，更 有赖 于先 进光学 设计 、 加工 工艺 、 自由曲面 测量技 术的综 合考虑 ， 以及复 杂的数据 演算 和大量 实验数据 验证 ，才
得以提 升 自曲面光 学的加 工精 度及检测 质量 。 现有 的 国内外设
产 品开 发周 期 。 目组成 功开 发 出拥有 自主 知识 产权 的数 项 字化 综合制 造 系统 ，填补 了我 国在 自由曲面光学 制造 技术 上的 空 白 ，使我 国的 自由曲面 光学 在光 电通 讯产 品 、 天 航 及 国防 中的应 用 可达 世界先 进 水平 。 光学 自由曲面是 指无法 用球 面或 非球面 系数 来表示 的 曲面 ， 中 包括 任意 非传 统 、非 对称 的 曲面 、微结 构阵 列 其 和 参 数 向量表 示 的任何 形状 的 曲面 。 与传 统 的光学 制造 比 较 ，自由曲面 光学 的面 形精 度要 求高 ，制 造 工艺技 术及 其 面形 的检测 技术 极为 复杂 ，涉及 繁复 的数据 处理和 大量 实
面光 学与光 电通讯 产 品及汽车 照 明的研 发 。 自由 曲面光 学设 在 计、 多轴超 精密 自由 曲面加 工 、 刀具轨 迹生 成 、 工艺 流程 仿真 及 工艺优化 、 自由 曲面 的 面形测 量 与光学性 能评 定等方 面 ， 项 目组 作 了大量 的研 发工 作（ 附录 论文 列表 ）通过 大量 的算 参考 ，
自由曲面光学
自由曲面光学
自由曲面光学是一种独特的光学设计方法，它与传统的球面或非球面光学设计方法不同。
自由曲面光学的主要思想是在设计过程中不再受限于特定形状的曲面，而是通过优化算法来生成最优曲面形状。
自由曲面光学的优势在于能够实现更高的光学性能和更广泛的
应用范围。
它可以应用于天文望远镜、激光系统、成像仪器等领域，并且可以实现更高的分辨率、更广的视场和更小的成像误差。
自由曲面光学的发展离不开计算机技术的支持，利用计算机模拟和优化算法可以快速生成最优的曲面形状。
同时，自由曲面光学也在不断地发展和完善，如何在实际应用中解决光学系统的制造和测试等问题也是目前研究的重点之一。
总之，自由曲面光学是一种具有广泛应用前景的光学设计方法，其发展将为人类探索更深奥的物理现象和改善人类生活带来更多可能。
- 1 -。
工业机器人加工自由曲面光学元件的方法研究
件 ，这 些 自由 曲面 的 元 件 在 消 像 差 、减 小 系统 体
积 和 质 量 等 发 面 有 着 巨 大 的优 势 ， 然 而 现 阶 段 加
工 困 难 、加 工 效 率 低 下 、 成 本 高 等 因 素 大 大 制 约 其 应 用 和 推 广 ， 成 为 了 它 发 展 的 瓶 颈 ¨引 由 于 ’。
大 ” 的思 想 。即直 接 去 除 １ａ ｔｍ是 十 分 困难 的 ，但
，
Ｐ
倘 若 经 过 统 计 知 道 １ 时 能 去 除 １ 小 ０ｕｍ，则 １ａ ｌｍ 的微 小 尺寸 就 被 放大 到 了６ 钟 的时 间尺 度上 得 到 分 “ 放大 ”从 而 能较 容 易地被 获 得 。 根 据 上 述 理 念 和 思 想 ，我 们 设 计 并 制 造 了 适 合 工 业 机 器 人 研 磨抛 光 的工 具 。这 些 工具 通 过 弹
【４ 第３ 卷 ５】 ４
第３ 期
２ １— ３上 ） ０２ ０ （
ｌ
其 实 这 个 理 念 在 以往 人 工 手 修 过 程 中就 得 到
了体 现 。对 于 同一 个 经 验 丰 富 的 工人 来说 ，他 手
匐 似
公 式（） 示 。 ２所
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ｖ ［）＋ ；ｒ＋ ０＋ ｒｏ） ２ １￣＋０ ２ ｏＯｊ ） ＝（ ∞） （ ２ １ — ｒ（； （ ） ｓ］ ２ ０ ； （ ２ ｒｏ ｌ ｃ （ ０ ∞
图 １ 自行 设 计 并 制 作 的 各 类 工 具 头
２ 控 制方法与实验
光 学 研 磨 和 抛 光 中工 具 头 无 外 乎 三 种 运 动 模
式 ： 平 转 动 、 单 转 子 和 双 转 子 ， 以其 中最 复 杂 的
自由曲面空间光学系统设计研究_王灵杰
但入瞳直 径 的 增 加，意 味 着 所 有 与 孔 径 相 关 的 像 差增加。受空间环 境 中 力 学、热 学、压 力 等 因 素 的 制约，当入瞳 直 径 增 大 到 一 定 程 度 （通 常 ２００ ｍｍ 以上），光 学 系 统 一 般 采 用 反 射 式 或 折 反 射 式 方 案。为了简 化 光 学 系 统 形 式，仅 采 用 球 面 镜 是 无 法平衡由于入瞳直 径 增 加 而 剧 增 的 像 差，因 此，二 次 非 球 面 和 高 次 非 球 面 在 上 世 纪７０ 年 代 被 逐 渐 应 用到空间 光 学 系 统 中。 但 随 着 对 幅 宽 的 追 求，要 求光学系 统 的 视 场 不 断 增 加，与 视 场 相 关 的 轴 外
第３３卷 第６期 ２０１２ 年 １１ 月
应 用 光 学 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ
文 章 编 号 ：１００２－２０８２（２０１２）０６－１０４０－０７
自由曲面空间光学系统设计研究
Ｖｏｌ．３３ Ｎｏ．６ Ｎｏｖ．２０１２
王灵杰，张 新，张建萍，史广维
（中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 １３００３３）
表面类型 ３５ｌｐ／ｍｍ 处平均 ＭＴＦ 值 最大畸变
Ｘ－Ｙ 表面
０．４３６
２．６５％
Ｚｅｒｎｉｋｅ表 面
０．４２
３．７４％
径向基函数表面
０．６０５
３．６％
表 ３ 平 移 项 放 开 后 设 计 结 果 Ｔａｂｌｅ ３ Ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｆｒｅｅ ｐｉｓｔｏｎ
自由曲面光学镜片的构造机理研究
了工件表 面 质量 ．
非均 匀有 理 Ｂ样 条 曲线定 义如 下＿ ： ３ ］
ｎ
∑ Ｎ （ Ｗ ． ） Ｐ Ｃ（ ＝ ｌ ） 三 ————一 ∑ ， 合 我们 近期 开 展 的 自 结
收 稿 日期 ：０ １ ４ Ｏ ２ １ 一Ｏ —２
基金 项 目： 国家 自然 科 学 基 金项 目（０ ７ ８４ ； 家 ８ ３计 划 项 目（ ０ ８ ３９０８）国 ６ ２ Ｏ ＡＡＯ ２ ０ ） 郑 州 市科 技 创 新 团 队 项 目（ ０ Ｘ １ ３ ４５３ ； １Ｃ ＴＤ ５ ）
作 者 简 介 ： 雪 涛 （９ １ ） 男 ， 南 杞 县 人 ， 师 ， 士 ． 乔 １７一 ， 河 讲 硕
第 ３ 期
乔 雪 涛 等 ： 由曲 面 光 学 镜 片 的构 造 机 理 研究 自
由 曲面眼用 光 学镜 片 设 计 、 造 、 测 技 术 的研 究 ， 制 检 在
进 行光 学镜 片 自由曲 面设计 时 ， 需考 虑 以下原 则 ： （ ） 人性 原则 ． １宜 自由曲面 光学 镜片 的设 计应 以人 类 眼 睛 的视 觉 质量 为依 据 ， 因人 而 宜 ， 量提 高修 正后 尽 的视觉 质量 ， 而且使 视 觉效 果往 正 向发展 ． 以眼镜度 如 数 为例 ， 在 改善视 觉 效果 的前 提下 ， 量不 向更 深 的 要 尽
别 介 绍 了基 于 笛 卡 尔 坐标 系 和 柱 坐 标 系 原 理 的 加 工 方 法 ． 关 键 词 ： 自由 曲 面 ； 学 镜 片 ； 光 渐进 多 焦 点 眼 镜 ； 造 机 理 构
文 献标 志 码 ： Ａ Ｄ ： ０ ３ ６ ／．ｓ ｎ １ ７ — ６ ０ ． ０ １ ０ ． ０ ＯＩ１ ． ９ ９ ｊ ｉ ． ６ １ ９ ６ ２ １ ． ３ ０ ２ ｓ
自由曲面加工理论与应用(第02讲--自由曲面加工基础)
一、自由曲面加工概述
SSM系统的信息处理需要解决的问题
根据SSM系统的3个输出，对应3个信息处理阶段 • 基于特征的处理阶段（feature-based processing stage）
以最小的P/M-rate生成UMOs
• 几何处理阶段（geometric processing stage）
自由曲面加工理论与应用 第02讲--自由曲面加工基础
一、自由曲面加工概述 二、自由曲面加工数学基础 三、刀具路径生成基础
一、自由曲面加工概述
自由曲面（Sculptured Surface or Free Formed Surface）
The term “sculptured surface” denotes those surface shapes which “cannot be continuously generated ” and have the arbitrary character of the forms traditrs —— Duncan and Mair （1983） 随着自由曲面复杂程度的增加，需要数控编程技术 的发展
基于特征的信息处理 (feature-based processing) • 特征提取：由设计曲面提取加工特征 • CAPP（ computer-automated process planning）： 根据加工特征产生一系列UMO。
需解决的问题：如何定义加工特征，如何根据特征定义和生成UMO
一、自由曲面加工概述
几何信息处理（Geometric information processing）
• 刀具路径规划（ Tool-path planning）：根据设计曲面为每个UMO生 成刀触点轨迹（CC-paths）或初始刀位点轨迹（initial CL-paths） • 刀位计算（CL-data computation）：由CC-paths计算CL-paths • 加工仿真（Cutting simulation） • 干涉检查（过切检查，Gouge detection）
光学自由曲面快速刀具伺服加工技术的研究进展
Ｆ Ｔ Ｓ 技术 的工作 原理 如图 １ 所示 ，机床主 轴带动 工件 旋 转 ，Ｆ Ｔ Ｓ 驱 动金 刚石 刀具 在工 件被 加 工表 面 快速 往复 运 动实 现 不 同深 度 的切 削 ，获得 所 需 自由 曲面 ，Ｆ Ｔ Ｓ 运 动频 率根 据 被 加工 曲面的 凸 凹特 性 与 机床 主 轴 转速 成 整数 倍关 系。由于Ｆ Ｔ Ｓ 可 以实现 几 百甚 至几 千赫 兹 的工作 频率 ，机床 主轴 具有 较高 的 转速 ，从而获 得 比其 他加工方 法更高 的加 工效 率。
分析 ，并 根据 Ｆ Ｔ Ｓ 驱动 器 的工 作 原理 将Ｆ Ｔ Ｓ 分 为 四
类 ：压 电型 Ｆ Ｔ Ｓ 、磁 致伸 缩 型Ｆ Ｔ Ｓ 、 洛伦 兹 力Ｆ Ｔ Ｓ
和麦 克 斯 韦 力型Ｆ Ｔ Ｓ 。本 文主 要 介 绍Ｆ Ｔ Ｓ 技 术在 刀
具路 径和 轨迹 跟踪 控制 算法 方面 的研 究进展 。
、 ｌ
匐 化
光学 自由曲面快速 刀具伺服加工技术的研究进展
Ｄｅｖ ｅｌ ｏｐｍ ｅｎ ｔ ｐｒ ｏｃｅ ｓｓ ｏｆ ｆ ａｓｔ ｔ ｏｏＩ ｓ ｅｒ ｖ ｏ ａｓ ｓｉ ｓｔ ｅｄ ｆ ｒ ｅｅｆ ｏｒ ｍ ｏｐｔ ｉ ｃａｌ
ｓｕｒ ｆ ａｃｅｓ ｆ ａｂｒ ｉ ｃａｔ ｉ ｏｎ ｔ ｅｃｈｎｏｌ ｏｇｙ
关键词：快速刀具伺服；光学自由曲面；刀具轨迹跟踪控制算法；刀具路径
中图分类号 ：Ｔ Ｈ １ ６ ４ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１ ０ ０ ９ －０ １ ３ ４ （ ２ ０ １ ３ ） １ １ （Ｉ － ） － ０ ０ ６ ９ － ０ ６
Ｄ ｏ ｉ ：１ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ Ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ９ － ０ １ ３ ４ ． ２ ０ １ ３ ． １ １ （Ｅ ） ． ２ ０
自由曲面在离轴反射光学系统中的应用
自由曲面光学元件的应用可以提高离 轴反射光学系统的性能和稳定性，为 实际应用提供更好的解决方案。
对于推动我国光学技术的发展和提升 我国在光学领域的国际竞争力具有重 要意义。
感谢您的观看
THANKS
激光武器系统
离轴反射光学系统可以应用于激光武器系统 中，实现激光光束的高精度控制和瞄准。
航空航天领域
离轴反射光学系统可以应用于航空航天领域中，实 现航空器、卫星等的高精度导航和控制。
无人驾驶领域
离轴反射光学系统可以应用于无人驾驶领域 中，实现车辆的自动驾驶和精确导航。
03
自由曲面在离轴反射光学 系统中的应用
2
自由曲面光学元件的制造和检测技术不断发展 ，使得其在离轴反射光学系统中的应用越来越 广泛。
3
自由曲面光学元件在离轴反射光学系统中的应 用具有较高的学术价值和实用性，对于推动光 学技术发展具有重要意义。
研究不足与展望
01
自由曲面光学元件的制造和检 测技术仍存在一定的挑战，需 要进一步研究和改进。
02
自由曲面在离轴反射光学系 统中的应用
2023-11-06
目录
• 引言 • 离轴反射光学系统基础 • 自由曲面在离轴反射光学系统中的应用 • 自由曲面离轴反射光学系统的实验研究 • 结论与展望
01
引言
研究背景与意义
背景
随着光学技术的不断发展，对光学系统的性能要求也越来越高，尤其是离轴反射光学系统。
自由曲面在系统制造中的应用
降低制造难度
相对于传统光学表面加工方法 ，自由曲面的制造难度较低， 因为它们不需要精确的球面或
柱面形状。
提高生产效率
自由曲面的制造可以使用大规模 生产方法，提高生产效率并降低 成本。
自由曲面加工技术的研究与应用
自由曲面加工技术的研究与应用随着科技的进步和工业的发展，自由曲面加工技术已经成为了现代制造业中不可或缺的一部分。
自由曲面加工技术是一种可以对任意形状的曲面进行加工的技术，它能够满足各种复杂几何形状的加工需求，提高了工业的生产效率和质量。
自由曲面加工技术主要应用于金属加工、陶瓷加工、塑料加工等领域。
现在，随着人们对工业制造质量要求的提高和对自由曲面加工技术不断研究，它的应用范围正在不断扩大，比如在航空航天、汽车制造、船舶制造以及医疗等领域都有着重要的应用。
在这些领域中，自由曲面加工技术的应用可以有效地解决复杂曲面结构的加工难题，提高产品加工精度和工作效率。
在自由曲面加工技术中，数控加工机床是一种很重要的工具。
数控加工机床是一种通过计算机控制的自动化机床，可以对复杂曲面进行加工，实现高效、高质量的制造。
数控加工机床在自由曲面加工技术中的应用已经得到了广泛的认可，其无论在加工质量还是加工效率方面都有很高的评价。
除了数控加工机床，还有一种重要的自由曲面加工技术——激光曲面加工技术。
激光曲面加工技术是利用激光束在工件表面进行加工的一种技术，可以对不同材料的曲面进行高精度、高效率的加工。
激光曲面加工技术已经成为自由曲面加工技术中重要的组成部分，在汽车制造、模具制造、机械制造以及航空航天等领域有着广泛的应用。
自由曲面加工技术在现代制造业中的应用前景是非常广阔的。
未来随着工业制造的不断发展和自由曲面加工技术的不断完善，自由曲面加工技术会在更多的领域得到应用。
作为一种重要的制造技术，自由曲面加工技术将会不断为制造业的发展贡献力量。
在加工技术不断进步的今天，我们需要不断加强对自由曲面加工技术的研究和开发，探索新的加工方法和技术手段，在实践中不断完善自由曲面加工技术，提高其加工质量和效率。
只有这样，才能不断满足人们对工业制造质量的要求，为制造业的发展注入新的活力。
自由曲面光学技术
目前
待续
面型加工技术
美国的Precitech公司，仍无自己的自由曲面刀 具轨迹自动生成、预报及优化软件，虽然 Moore公司目前开发了自由曲面刀具轨迹生成 软件，仍未有配套的加工过程和策略优化模型 及相应的面形测量软件，并且其软件局限于该 公司自己生产的机床，不具通用性。英国Zeeko 公司开发了自由曲面刀具轨迹生成软件，只适 用于抛光机，其切削机理及表面生成过程完全 不同于切削加工，不可应用于自由曲面的飞刀 铣削过程。
1972年
发展历程
1980年
代表当今员高水平的超精密金刚石车床是美 国劳伦斯.利弗莫尔(LLNL)实验室研制成功的 LODTM，它可加工直径达2100mm，重达 4500kg的工件其加工精度可达0.25μm，表面 粗糙度RaO.0076μm，该机床可加工平面、球 面及非球面，主要用于加工激光核聚变工程 所需的零件、红外线装置用的零件和大型天 体反射镜等。
加工技术发展历史
80年代以来，出现了许多种新的非球面 超精密加工技术，主要有：计算机数控单 点金刚石车削技术、计算机数控磨削技术、 计算机数控离子束成形技术、计算机数控 超精密抛光技术和非球面复印技术等，这 些加工方法，基本上解决了各种非球面镜 加工中所存在的问题。前四种方法运用了 数控技术，均具有加工精度较高，效率高 等特点，适于批量生产。
1
简介
精度
采用多轴超精密金刚石机床加工光学自由曲面 ,可达到亚微米级形状精度和纳米级表面粗糙 的高精度水平。
优点
在成像系统中，该技术可以矫正像差、提高成像质量、减小系统单元数量及重量；在高性 能照明系统设计中，该技术不仅可以有效提高光能利用率，更可消除系统对照明方向性的 严格要求，并且提供了很大的设计自由度。
非朗伯分布LED光源的自由曲面设计
非朗伯分布LED光源的自由曲面设计LED光源是一种广泛应用于照明领域的新型光源，而自由曲面设计则是光学领域中的一个重要研究方向。
非朗伯分布LED光源的自由曲面设计，是指通过设计特定形状的曲面透镜或反射器，使LED光源的光线能够以更理想的角度发射，并在特定的场景中实现更好的光学效果。
在过去，LED照明的光学设计主要以朗伯分布为基础，即LED的光线沿所有方向均匀发射，这导致了在特定应用场景中光学效果不尽如人意。
而非朗伯分布则是一种更符合实际需求的光学特性，其光线发射的角度与亮度不是线性相关，而是更加符合人眼对光线感知的特性。
非朗伯分布LED光源的自由曲面设计成为了当前LED光源照明领域的研究热点之一。
下面我们将从非朗伯分布的特点、自由曲面设计的原理和方法以及应用前景等方面对这一领域进行深入探讨。
一、非朗伯分布的特点非朗伯分布与朗伯分布相比，其最大的特点是光线发射的角度与亮度之间的关系不再是线性的。
朗伯分布的光源在所有方向上都呈现相同的亮度，而非朗伯分布的光源则能够根据特定的需求在不同的方向上呈现不同的亮度。
在室内照明领域，人们希望灯光能够更集中地照亮桌面或工作区域，而不是将光线均匀地散布在整个房间。
这就需要非朗伯分布的光源能够在特定的方向上提供更高的亮度，而在其他方向上则降低亮度，以实现更好的照明效果。
除了室内照明外，汽车照明、户外照明、舞台照明等领域也都对非朗伯分布光源提出了更高的要求，这使得非朗伯分布LED光源的研究与应用成为了当今光学设计领域的一个重要课题。
二、自由曲面设计的原理和方法自由曲面设计是指根据LED光源的发光特性和光学需求，通过数学建模和优化算法，设计出能够使LED光线以特定角度发射的曲面透镜或反射器。
其基本原理是通过改变光线的入射角度和折射、反射效果，以达到理想的光学效果。
在自由曲面设计中，常用的方法包括几何光学设计、光学仿真和优化算法。
几何光学设计主要是通过数学建模和光路追迹的方法，设计出符合特定光学要求的曲面形状。
自由曲面光学技术..
优缺点
传统的轨迹成形法加工自由曲面，共同的特点是加工效率高，但一般难于加工高精度的自 由曲面，其根本原因在于加工所依据的轨迹的准确性差，轨迹转移精度不高，而且模具或 机构等的轨迹单一，只能加工一种尺寸一种形状的非球面，且可加工的材质有限，通用性 差， 通常只用于中低精度非球面零件的批量生产。 由于该方法已经比较成熟，并且很传统，目前，国外对这方面研究的报道很少。国内主要 是中科院长春光机所和长春理工大学在做这方面的研究工作。
1972年
发展历程 1980年
摩尔公司首先开发出了用3个坐标控制的 M―18AG非球面加工机床，这种机床可加工 直径356mm的各种非球面的金属反射镜。 英国RankPneumo公司向市场推出了利用激 光反馈控制的两轴联动加工机床，该机床可 加工直径为350mm的非球面金属反射镜，加 工工件形状精度达0.25-0.5μ m，表面粗糙度 Ra在0.01-O.025μ m之间。随后又推出了 ASG2500、ASG2500T、Nanoform300等 机床
代表当今员高水平的超精密金刚石车床是美 国劳伦斯.利弗莫尔(LLNL)实验室研制成功的 LODTM，它可加工直径达2100mm，重达 4500kg的工件其加工精度可达0.25μ m，表 面粗糙度RaO.0076μ m，该机床可加工平面、 球面及非球面，主要用于加工激光核聚变工 程所需的零件、红外线装置用的零件和大型 天体反射镜等。
抛光
可以分为初抛光和精抛光等两个过程。 光学零件的抛光是获得光学表面的工序。 其目的首先是去除精磨的破坏层，达到 规定的表面疵病要求，其次是精修面形， 达到要求的光圈，形成透镜规则的表面 。
2、轨迹成型法
类别
轨迹成形法主要包括使用成形工具的轨迹成形法、使用仿形靠模的轨迹成形法和使用机 构轨迹的成型法等几种。
自由曲面光学元件的设计、加工及面形测量的集成制造技术
关键 词： 自由曲面光学元件
中 图 分 类 号 ：Ｔ ２ ９ Ｂ ４
超精密加工 自由曲面测量
数字化仿真
Ｉ ｔ ｇ ａ ｅ ａ ｕ ａ ｔ ｒ ｎ ｃ ｎ ｌ ｇ ｏ ｓｇ ， ａ ｈ ｎｉ ｇ ａ ｎ ｅ ｒ ｔ ｄ Ｍ ｎ ｆ ｃ ｕ ｉ ｇ Ｔｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ｆ ｒＤｅ ｉ ｎ Ｍ ｃ ｉ ｎ ｎｄ Ｍ ｅ ｓ ｅ ｅ ｆＦｒ ｅ ｏ ｍ ａ ｕｒ ｍ ｎｔｏ ｅ ｆ ｒ Ｏｐｔｃ ｉｓ
第４ ６卷 第 ｔ 期 ｉ
２０１ 年 ０ ６ 月
机
械
工
程
学
报
Ｖｏ１４６ ． Ｎ Ｏ． １１ Ｊ ｎ． ｕ ２０ １０
Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ＥＣＨＡＮＩ ＯＦ Ｍ ＣＡＬ ＥＮＧＩ ＮＥＥＲＩ ＮＧ
ＤｏＩ １ ３ １ Ｊ Ｅ． ０１ ． １ １ ： ０．９０ ／ Ｍ ２ ０ １ ．３７
型 重 构 、多 轴 加 工 仿 真 与 切 削 优 化 、加 工 误 差 补 偿 到 自由 曲面 面 形 测 量 的集 成 制 造 信 息 平 台 。所 开 发 的 集 成 技 术 ，能 有 效 减
少在同类多轴机床编写复杂数控程序 的时间，优化加 工条件 与切削策略 ，针对不 同类型 的 自由 曲面 光学零件 的主工艺 ，进行 数字化仿真 ，避 免昂贵的反复 试切试验 ，以及 提高产品 的面形精度 。并通 过一系列 的试验来验证 该集 成平 台的稳定性和有
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自由曲面光学的超精密加工技术分析
自由曲面光学的超精密加工技术分析发布时间：2022-10-25T02:30:12.072Z 来源：《科技新时代》2022年10期作者：夏正华[导读] 通过对相关工艺技术进行系统研究，能够为相关零件加工提供有效参考信息。
富泰华工业（深圳）有限公司 518109摘要：现代化背景下进一步打破传统光学成像系统设计方法，在光学成像系统中引入自由曲面，能够有效提升系统能量传输效率和成像质量。
文章先分析了自由曲面光学的超精密加工技术，包括技术特征和技术框架，随后介绍了自由曲面光学的超精密加工技术方案，包括光学自由曲面超精密设计、刀具轨迹生成、加工仿真优化、自由曲面超精密测量，希望能给相关人士提供有效参考。
关键词：自由曲面光学；超精密加工；技术方案引言：在信息时代下，随着超精密加工技术创新发展，能够对非球面光学透镜进行直接加工，并为光电信息产业提供各种高质量光学组件。
合理应用自由曲面能够优化系统设计自由度，改善成像质量，降低系统重量，通过对相关工艺技术进行系统研究，能够为相关零件加工提供有效参考信息。
一、自由曲面光学的超精密加工技术（一）技术特征自由曲面光学元件相关设计、加工技术完全不同于传统元件。
自由曲面光学的超精密加工技术能够针对非对称轴相关光学自由曲面进行加工制作，无需抛光等后续处理便能够使元件加工精度达到纳米级粗糙度和亚微米级形状精度。
自由曲面光学元件是新型技术元件，广泛应用于各种光电装置当中。
自由曲面和非球面镜、传统求面镜比起来拥有突出优势，自由曲面从光学面形相关理论层面分析可以通过不规则以及非对称任意曲面组成，并为设计者提供多样设计自由度。
自由曲面因为整体结构形状较为独特，能够促进光学系统结构实现轻量化，改善产品性能结构。
合理应用自由曲面能够基于有限空间内支持高质量成像、清晰视场，提升能量传输效率，优化光学均匀性。
在自由曲面光学持续应用发展背景下，提升自由曲面光学的超精密加工技术以及检测技术水平成为我国工业领域发展基础要求。
自由曲面镜片研究意义和价值
自由曲面镜片研究意义和价值
自由曲面镜片是一种高端光学镜片,具有曲面设计独特、成像质量高、视觉效果好等特点,在眼镜、望远镜、显微镜等光学设备中得到了广泛应用。
本文将从自由曲面镜片的研究意义和价值两个方面进行探讨。
研究意义:
自由曲面镜片的研究意义主要表现在以下几个方面:
1. 提高成像质量:自由曲面镜片的曲面设计可以最大限度地减少光线的反射和折射,提高成像的质量和对比度。
这对于医学成像、望远镜成像等需要高质量图像的领域具有重要意义。
2. 改善光学性能:自由曲面镜片的曲面设计可以最大限度地减少光学畸变,提高光学性能和光学稳定性。
这对于精密仪器、科学实验等领域具有重要意义。
3. 降低生产成本:自由曲面镜片的曲面设计使得制造过程更加简单和高效,降低了生产成本。
这对于高端光学设备的生产和应用具有重要意义。
价值:
自由曲面镜片的价值主要表现在以下几个方面:
1. 提高视觉效果:自由曲面镜片的设计可以最大限度地改善视觉效果,使得光学设备在成像质量、对比度和亮度等方面得到提升。
这对于科学研究、医学成像等领域具有重要意义。
2. 降低生产成本:自由曲面镜片的曲面设计使得制造过程更加简单和高效,降低了生产成本。
这对于高端光学设备的生产和应用具有重要意义。
3. 提高生产效率:自由曲面镜片的曲面设计使得制造过程更加自动化和高效化,提高了生产效率。
这对于工业生产和应用具有重要意义。
自由曲面镜片的研究意义和价值非常显著。
通过深入研究和探索自由曲面镜片的设计和制造技术,可以进一步提升光学设备的性能和应用范围,为社会和科学研究带来更大的贡献。
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项目名称：光学自由曲面制造的基础研究首席科学家：房丰洲天津大学起止年限：2011.1至2015.8依托部门：教育部天津市科委二、预期目标（1）总体目标针对国家发展的重大需求对光学自由曲面制造技术的要求，深入研究并解决光学自由曲面制造中的重大关键基础科学问题，揭示自由曲面成型过程中纳观尺度材料迁移新理论，掌握和研究光学自由曲面高效、纳米级精度加工工艺技术及装备的共性基础问题，发展具有自主知识产权、具有国际先进水平的高精度、可控面形的光学自由曲面加工技术，培育我国光学自由曲面加工领域在国际上具有重要影响的学术带头人和创新团队，推动我国制造技术基础理论研究，确立在光学自由曲面制造领域国际竞争中的优势地位，增强光学自由曲面核心关键器件自主创新能力，并将光学自由曲面制造理论向更多领域纵深发展，推动我国科技进步。
（2）五年预期目标在理论研究方面：解决光学自由曲面制造中的关键科学问题，为实现高精度、高效率和高可靠性的光学自由曲面制造技术与装备提供理论基础，跻身于国际制造科学研究领域的前沿。
•揭示光学自由曲面加工装备多体多态动力学行为与精度稳定性的映射规律、时变工况激励下控制系统与机械结构耦合动态特征对加工精度的扰动规律，建立几何/物理/材料关联约束条件下光学自由曲面的空间机构构型创新设计与优化理论；•揭示光学自由曲面非均匀变流向纳观材料迁移规律，建立曲面成形过程中跨尺度材料特性演变、表层及近表层材料结构变化等基础理论；•揭示光学自由曲面物理再构过程中加工工具在力、热和化学等多场耦合环境下与加工材料之间相互作用和微观力学行为，建立加工工具的失效形式及其加工性能的演变理论；•揭示多物理场辅助下纳米切削行为、离子注入表面改性后的硬脆材料切削规律，建立工具磨损抑制及材料学分析测试理论。
在技术应用方面：三、研究方案光学自由曲面制造的关键技术中提炼出共性科学问题，分别从曲面建构、物理再构和精度改善三方面进行研究。
在研究方法上，通过理论与实验的紧密结合，将理论研究、技术开发和应用示范相结合，揭示材料在纳米尺度下相互作用的规律，建立光学自由曲面制造理论基础和关键技术平台，其成果适合应用于其他重大需求领域。
曲面建构：分析光学自由曲面的应用要求，借助光学理论将要求指标化，转换为具体的光学性能参数。
依据应用范围分为非成像和成像光学器件，结合计算机图形学进行光学性能参数和空间表达映射理论的分析。
针对非成像光学器件，利用非成像光学理论中的光学扩展量守恒定律和边缘光线原理，借助微分几何理论确定光学性能和空间表达的离散型映射模型；针对成像光学系统，建立自由曲面的直接光线追迹模型，综合多目标评价函数进行模型参数的最优化求解。
采用NURBS重构方法建构曲面型映射模型，重点考虑表达方式的一致性、高阶误差评定、空间特征解析等理论，进行空间表达的高精度建构、转型和特征解析。
结合以上研究成果和具体应用实例，建立光学自由曲面建模和光学特性评价体系及平台。
物理再构：建立几何/物理/材料（GPM）三元关联约束的多维集成光学自由曲面制造装备结构设计与开发理论，建立光学自由曲面加工精度关于加工装备多体多态动力学行为的反推演模型，研究提高精度稳定性的多态联合补偿策略。
基于光学自由曲面空间表达和空间特征解析理论，结合物理再构的运动学机制，实现加工区域划分策略和变行距轨迹及无缝衔接轨迹规划，并分析工具干涉检验与防干涉运动策略。
提取耦合动态特征对加工精度的扰动规律，建立基于耦合动态特征的控制参数与机械结构逆向优化匹配理论，研究控制参数的优化匹配对加工精度的调控机制。
综合以上研究成果及工艺试验结果，建立光学自由曲面智能成型仿真与表面质量数字化评价体系。
精度改善：该方面是本项目的研究重点之一，光学自由曲面的精度改善体现在表面质量和面形精度两个方面。
在表面质量的改善方面，重点依赖对纳观材料迁移行为和界面作用机理的透彻解析。
利用第一性原理和基于密度泛函平面波赝势方法，建立不同材料原子间的相互作用势能函数，进行纳米尺度材料迁移的分子动力学模拟，并通过桥尺度函数与利用连续域的离散单元方法的宏观模型仿真联合，获取成形过程中的宏观和微观物理信息，建立纳观非均匀变流向材料迁移理论。
利用现代摩擦学的理论与方法，进行纳观尺度的工具磨损机理的研究，分析多场耦合环境中加工工具与加工材料相互作用与微观力学行为，提出采用基于固结磨料化学机械磨削原理的光学自由曲面超精密加工新方法，利用加工过程中化学和机械复合作用实现高精度高表面质量表面的加工。
针对常用的硬脆性材料，采用多物理场辅助与离子注入表面改性技术，进行工具磨损抑制效应分析。
利用聚焦离子束进行纳米刃口工具的制备，完全符合模拟过程中的工具尺度，并采用锥面成形途径实现纳观材料迁移行为的分析验证。
同时辅以各种显微结构表征手段（如原子力显微镜、显微拉曼光谱分析等）对材料成形过程中表面/近表面微观结构的影响规律进行检测和观察。
原位测量系统的应用和补偿技术的开发是面形精度提高的重要手段。
利用激光干涉传感和激光共聚焦传感技术实现原位系统开发，建立测量方法及系统装配的精度模型，提高大量程原位测量系统的精度和稳定性，搭建光学自由曲面质量综合评估与控制平台，实现面形精度的评价和补偿。
以上立体布局使本项目研究方向构成一个整体，各研究方向较强的有机联系，有助于课题间交叉联合和项目持续推进，使研究向纵深发展。
四、年度计划一、研究内容光学自由曲面制造已成为提升国家经济发展的重要支撑技术，结合国家发展的重大需求和光学自由曲面制造的发展趋势，本项目以光学自由曲面空间构建与物理再构理论、再构过程的多态量耦合影响机制、纳米尺度多物理场材料成形机理、面形原位测量评价及面形可控工艺等关键共性技术为突破口，本项目围绕下列三个重要科学问题展开研究：1. 光学自由曲面性能要求与空间表达的映射规律及物理再构光学自由曲面给光学设计人员提供了很大的设计自由度，随着现代光学、生物医学、能源、通讯及微电子等领域应用需求的不断提高，新一代结构复杂的光学自由曲面也被纷纷提出。
设计的复杂性和随意性使其异于已有的传统光学器件，传统空间表达方式已很难胜任新型光学自由曲面描述。
这种面形的复杂性和高精度要求也给制造过程带来了众多工艺难点，同时，带来了至今仍无完善理论来系统解释的新现象，对先进制造领域提出了极大的挑战。
需要将机械学与数学、物理学、化学、计算机图形学、材料学等领域知识有机地结合起来，探索光学自由曲面制造中的性能要求和空间表达新规律，提出适应于应用需求变化的空间变化新方法，创建物理场复合作用机理以及物理再构的新原理和新工艺。
主要研究内容：①光学自由曲面形态学演变与空间表达新方法光学自由曲面的空间表达是制造过程中首要明确的基础问题。
自由曲面的形状任意性为空间表达的研究带来了众多难题，如自由曲面很难采用精确统一的空间表达策略进行可靠描述，仍无系统完善的自由曲面光学优化设计方法，光学像质评价及公差分析过程涉及到大量多目标约束等。
重点研究和解决以上关键基础问题，为光学自由曲面物理再构和测量评价补偿等提供有力支撑，主要的研究内容包括：•光学自由曲面空间表达一致性模型及空间特征解析；•光学自由曲面空间一致性模型重构高阶误差评定与规避策略；•照明系统多参数约束光学自由曲面高效数值解构及统筹优化；•成像系统光学性能与空间特征映射基础理论及像质评价体系；•光学自由曲面建模与光学特性评价平台。
②光学自由曲面成形过程的物理解析及再构策略随着光学自由曲面的精度、效率越来越高，高速、高加速度和变加速度成为加工装备动态行为的主要表现形式，装备的力学特性、热学特性、以及力、热耦合特性对加工质量和效率产生显著影响。
为最大限度提高自由曲面的面形精度、表面粗糙度等性能指标，研究光学自由曲面加工装备多体多态动力学行为与精度稳定性的映射规律、时变工况激励下控制系统与机械结构耦合动态特征对加工精度的扰动规律，提供提高精度稳定性的多态联合补偿策略和控制参数与机械结构的优化匹配对加工精度的调控机制。
主要研究内容包括：•几何/物理/材料（GPM）三元关联约束下光学自由曲面成形的空间构型理论；•GPM约束下光学自由曲面加工装备多体多态动力学行为与精度稳定性模型；•光学自由曲面分域迭代加工理论与无缝变距轨迹规划；•时变工况激励下控制系统与机械机构耦合动态特征表达、对加工精度的扰动规律与调控机制；•光学自由曲面形成过程的智能仿真与表面质量数字化评价体系。
2. 光学自由曲面多场作用成形的材料迁移纳观物化行为与机制由于光学自由曲面加工过程的高速瞬态过程不宜表征和纳米尺度实验验证困难，被加工材料的原子级迁移行为尚不明确，成形过程中的界面作用机理也不完善，总之在世界范围内还没有形成以纳米精度为特征的光学自由曲面制造成熟理论。
需要研究的核心科学问题是光学自由曲面成形过程中被加工材料的表面物化行为、介观形变及微观场效应、界面结构性能演化、工件表面及切削介观尺度机械材料特性、工具磨损机理及其与加工材料之间的微观力学特性等。
主要研究内容：①光学自由曲面成形过程中的被加工材料纳观物化行为光学自由曲面成形过程中材料迁移变化在纳米量级，由于曲面空间复杂度引入了非均匀及变流向材料迁移特性，产生了异于精密切削的纳观物理和化学行为。
需要借助微观力学、介观模拟等手段深入分析材料的变形行为、断裂机制、材料运动学、被加工材料表面及近表面特征等纳米加工表面成形的基础理论问题，并通过表征方法和工具制备实现理论分析验证，实现该过程中被加工材料纳观物化行为的深入剖析，全面掌握光学自由曲面被加工材料的纳观迁移规律。
主要研究内容包括：•光学自由曲面非均匀变流向纳观材料迁移理论；•光学自由曲面成形过程中材料表层及近表层结构和特性演变机理；•纳米尺度材料迁移的跨尺度效应及动力学分析；•纳米级刃口微刀具设计与创成理论；•纳观材料迁移机理验证实验设计与理论表征。
②光学自由曲面成形过程中的界面作用机理及外场介入调控纳米加工过程中，由于加工工具与被加工对象之间的接触面积极小，工具承受着很大的切削力和很高的切削温度，同时还与切屑和加工表面产生剧烈摩擦，造成工具磨损失效。
工具—切屑界面处的高温和摩擦会加剧扩散作用进而改变刀具表面的原始组织和性能，加剧了磨损速率。
为增强工具加工（尤其是在硬脆材料加工时）性能和寿命，需深入研究纳米尺度加工中工具磨损机理、工具与加工材料之间的微观力学行为、工具寿命增强机制等关键基础问题。
主要研究内容包括：•加工工具和加工液与被加工材料之间的相互作用机理；•加工工具与加工液的失效形式及性能演变规律；•加工工具与加工液设计、制备及其性能优化；•多物理场辅助下纳米迁移行为与工具磨损抑制效应；•离子注入表面改性硬脆材料迁移理论及材料学分析。