光学自由曲面制造基础的研究

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：

通过本项目研究，在若干关键技术上取得源头创新成果，提升我国光学自由曲面制造装备及关键应用零部件的制造水平。

•设计光学自由曲面离轴三反望远光学系统，并完成系统中自由曲面器件的制造和装配，系统视场角达到50 º－60 º以上，成像质量接近衍射极

限，同时解决子午与弧矢面间放大倍率的不一致问题；

•实现光学晶体复眼结构器件（材料为ZnS/ZnSe）的设计及加工，具体技术指标为：单元尺寸≤10mm，单元数量>40个，整体尺寸<150mm，面

形精度PV<10um，表面粗糙度Ra<8nm；实现下一代IC装备SMO光源

系统中核心光学自由曲面非球面微透镜阵列（材料为光学玻璃/塑料）的

设计及加工，具体技术指标为：透镜口径<150mm，单元尺寸≤1mm，

单元数量>50个，面形精度PV<8um，表面粗糙度Ra<10nm；

•突破纳米级刃口微刀具创成技术难题，实现纳观材料迁移机理验证，完成圆弧、直线、锯齿、尖角等典型刃口半径在30nm以下微刀具；

•突破加工工具磨损抑制技术难点，为光学自由曲面加工提供先进工具和加工液，建立多物理场辅助切削在线实验装置和材料学分析测试平台；

•突破原位测量系统设计和装配技术难题，建立激光干涉接触式探针测量和多功能集成柔性光学式原位测量系统，量程为150mm，测量分辨率达

20nm，测量精度0.3um，实现光学自由曲面的测量、分析和质量控制；

•构建光学自由曲面建模与光学特性评价平台、加工质量综合评估与控制平台，建立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，实现零部件的高效制造与性能定量预测。

在论文与人才培养方面：

本项目研究过程中，拟发表论文200-240篇，其中三大检索收录论文占80%，申请专利10～20项；组织高水平的国际会议2~3次；形成具有重要国际影响的光学自由曲面制造技术研究队伍；涌现出一批优秀中青年人才，包括国际前沿学术带头人1～2人；培养博士生、硕士生50-80人。

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