摘要：突破传统光学成像系统设计理论和方法，将自由曲面引入光学成像系统中，极大地提高了系统的成像质量和能量的传输效率；采用先进数控超精密制造技术加工自由曲面光学元件，解决了自由曲面光学元件加工的技术瓶颈。开发了自由曲面控制网格的节点矢量的精确计算方法，以及多轴超精密数控加工光学自由曲面的自动编程及其刀具轨迹仿真系统，建立了自由曲面三维拓扑预测模型与优化系统，研发了多个自由曲面测量及评估方法,并搭建了自由曲面光学设计、加工、测试一体化的集成平台。上述核心技术有助解决国际上对复杂自由曲面光学元件在超精密加工及纳米级表面测量中的关键技术难题。研究成果推动了超精密加工及纳米测量领域内的技术进步。 
 
关键词： 光学自由曲面；超精密加工；曲面测量；光学设计；集成系统

0.引言

随着信息时代的到来，超精密加工技术迅速发展，用单点金刚石车削，可直接加工非球面光学透镜，从而为光电信息产业提供质优价廉的光学组件。过去10年，美国5000多家光学企业创效益500多亿美元,而这种技术当时在我国是一片空白，非球面加工的难题一直困扰中国光学工业的发展。香港经济转型也要求制造业向高科技、高增值方向发展，超精密加工技术对经济发展至关重要。随着科技的不断发展，各种高附加值产品的光学组件已经转向具有微结构特点的、非回转对称的复杂自由曲面光学元件，它们是光电信息技术和光通讯不可缺少的关键元件。例如：激光打印机和扫描机的F蛳theta透镜，液晶显示屏的背光板，宽带光纤耦合器及LED照明光学元件等。其需求市场十分巨大，并且在迅猛增长中。中国及远东地区当时没有这种设备及技术，无法加工自由曲面光学组件。虽然超精密自由曲面的设备己在市面推出，但由于自由曲面的面形极为复杂，设备供货商也无法提供刀具轨迹生成软件；又缺少公认的自由曲面光学面形与表面质量的检测方法和评定标准。因此，文中针对自由曲面光学设计、加工及测量等核心技术，进行了系统的研究。

1.整体技术框架

自由曲面光学元件的超精密制造是一门崭新的技术，我国在自由曲面光学制造技术上与国外亦有一定差距。传统的光学磨制方法无法加工高精度的非球面与自由曲面面形，必须突破古典光学传统加工方法，采用先进的单点金刚石切削及超精密数控制造技术进行加工。细观塑性力学理论模型成功地运用到超精密加工技术上，用于分析晶体材料剪切角的形成及微切削力的变化周期，从而建立超精密加工的纳米级三维表面形貌仿真模型，并用于超精密加工虚拟制造，工艺流程仿真及工艺优化。此外，在自由曲面超精密加工刀具轨迹生成及自由曲面的面形测量等方面均作了大量的研发工作。开发了一套自由曲面刀具轨迹自动生成系统，可直接用于加工微透镜、V沟槽结构、渐进式眼镜、自由曲面车灯反光镜等，只需要输入基本参数，可自动生成刀具轨迹，而无需再花大量时 间编写程序，大大缩短了加工周期。另外，对自由曲面 的表面测量方法也进行了研究，为自由曲面的加工及 测量技术的发展又跨前了一大步。 亦创新地采用了边 缘光线扩展度守恒的原理，开发了一套自由曲面控制 网格的节点矢量的精确计算方法。 基于以上研究成 果，开发了自由曲面光学元件设计、优化加工条件、加 工误差补偿及测量的综合系统。

2.技术方案与应用

光学自由曲面是非轴对称、不规则、随意构造的 曲面，其形状比较复杂，精度要求很高。传统的加工设 备和加工技术很难满足其加工要求。 随着金刚石车、 铣、磨、削集成的多轴超精密机床的发展，给自由曲面 光学组件以及微结构光学元件的加工，提供了先进的 制造设备。 超精密五轴自由曲面加工设备可以加工具 有非轴对称的复杂光学自由曲面，而不需要抛光等后 续加工工序就可以使加工精度达到亚微米量级的形 状精度和纳米量级的表面粗糙度。 

2.1 超精密自由曲面光学设计 

由于一般的光学软件（如 Zemax, CodeV 等）针对 自由曲面的优化设计方法并不完善，设计一个非对称 的自由曲面需要花很多的时间用手工不断反复地调 整和设置操作参数，一个比较复杂的自由曲面的设计 往往需要一个月甚至几个月的时间，且所设计的光学 系统往往不够理想。 笔者在自由曲面光学设计方面做 了大量的研发工作[1-3]。 利用边缘光线扩展度守恒的 原理创建了一套自由曲面控制网格的节点矢量的精 确计算方法，可以在极短时间内（一般为几个小时甚 至更短）优化出具有最优效率及精确配光的自由曲面 光学元件。 边缘光线的扩展度守恒原理为，光源经过光学系 统到达目标是个数学映射的关系。 通过自由曲面边缘 的那部分光线，经过映射后，对应于目标的边缘，自由 曲面中间连续的部分，经过映射后，在目标中间形成 连续的分布。 如果光学系统没有损耗，那么光学系统 的光源及目标的扩展度是守恒的。 扩展度为光源或目 标的面积与光线发散角所形成的立体角的乘积。 根据 这一原理， 可将目标及自由曲面分割成等量的网格， 目标的网格节点与自由曲面的网格节点形成一一对应，再根据目标节点的位置及法矢量，就可以精确地 计算出自由曲面的控制网格的节点法矢量，从而生成 所需要的自由曲面。

2.2超精密光学自由曲面自动编程及刀具轨迹仿真系统的开发

(1)自动编程及刀具轨迹仿真系统

目前，市场上有不少成熟的商用CAM软件，如MasterCam,Unigraphics等。虽然，这些软件可以对五轴数控机床进行自动数控编程。但是，这些CAM软件的自动编程功能主要是针对普通多轴数控机床的，采用的刀具通常是端铣刀、指状铣刀、球头刀等。在采用这些刀具加工时，刀具半径补偿，只需要考虑刀具半径一个数值。而对于超精密的“飞刀”加工，刀具半径补偿，除了要考虑“飞刀”的刀具半径，同时更重要的还要考虑“飞刀”回转半径这个影响因素。除此之外，用于普通精度的数控机床自动编程的CAM软件，很难满足超精密机床的精度要求。因此，必须开发一套用于超精密自由曲面的五轴超精密设备上。单点金刚石“飞刀”加工光学自由曲面的专用数控自动编程软件。该数控编程软件不仅能满足超精密加工的精度要求，而且对“飞刀”加工时，还能同时对两个方向不同半径值的刀具半径进行补偿。

1.自由曲面组件的汽车头灯反射镜的加工刀具轨迹生成

图2.汽车前照灯反射面的光学测试

图3.超精密飞刀铣削加工

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