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第1章 自由曲面光学超精密制造技术概述1

1.1 自由曲面光学的发展1

1.2 自由曲面光学组件2

1.2.1 自由曲面光学组件的类型2

1.2.2 自由曲面光学组件在光电系统设计中的应用4

1.2.3 自由曲面光学组件的重要特征5

1.2.4 自由曲面光学组件的加工工艺特征6

1.3 自由曲面光学的特殊光学性能及应用前景6

1.3.1 特殊光学性能6

1.3.2 应用前景7

1.4 超精密加工技术的发展7

1.5 自由曲面光学组件的制造过程10

1.5.1 光学产品设计及评估10

1.5.1.1 光学系统应用研究10

1.5.1.2 光学系统优化设计12

1.5.1.3 光学透镜原型试制12

1.5.1.4 光学组件原型检测与光学质量评估13

1.5.2 实际生产光学组件及产品光学质量评估14

1.5.3 利用计算机进行数字化设计与制造的探讨14

1.5.3.1 光学系统数学原型的构成14

1.5.3.2 光学成像质量的数字化检测15

参考文献17

第2章 自由曲面光学设计18

2.1 自由曲面光学设计概述18

2.2 非球面光学成像系统的设计18

2.2.1 光学成像系统的基本结构18

2.2.2 非球面的定义19

2.2.3 非球面空间光线的追迹22

2.2.4 非球面的初级像差25

2.3 自由曲面光学系统的设计27

2.3.1 自由曲面光学组件的特征与数学表达式27

2.3.2 自由曲面光学组件的光线追迹35

2.3.2.1 贝塞尔裁剪法36

2.3.2.2 光线-有理贝塞尔曲面的相交38

2.3.2.3 NURBS由面的光线追迹41

2.4 光学系统的优化43

2.4.1 评价函数44

2.4.1.1 由几何像差构成的评价函数44

2.4.1.2 由点列图构成的评价函数45

2.4.1.3 由波差构成的评价函数46

2.4.1.4 由光学传递函数构成的评价函数46

2.4.2 最小二乘法46

2.4.2.1 概述46

2.4.2.2 阻尼最小二乘法48

2.4.3 基因算法50

2.5 光学系统的像质评定52

2.5.1 瑞利判据52

2.5.2 点列图法53

2.5.3 光学传递函数法54

2.6 自由曲面成像系统设计思路57

2.7 照明系统设计基础59

2.7.1 辐射度学中的量60

2.7.2 亮度学中的量62

2.7.3 辐射度学与亮度学中量的对应关系64

参考文献66

第3章 超精密加工技术67

3.1 超精密加工机床的关键技术67

3.1.1 超精密主轴部件68

3.1.2 机床床身布局与精密导轨部件69

3.1.2.1 超精密加工机床的布局69

3.1.2.2 床身和导轨材料的选用70

3.1.2.3 导轨形式的选用71

3.1.3 高精密度的进给驱动系统72

3.1.4 机床运动部件位移的纳米量级激光在线检测系统73

3.1.5 超精密加工机床的数控技术74

3.1.6 机床隔振及环境控制系统74

3.2 单点超精密切削技术75

3.2.1 两轴超精密加工机床75

3.2.1.1 两轴超精密加工机床Nanoform 20075

3.2.1.2 大型两轴超精密加工机床77

3.2.2 单点金刚石超精密切削原理77

3.2.3 金刚石切削刀具的特性79

3.2.4 切削参数对加工表面质量的影响80

3.2.4.1 刀具几何参数对加工表面质量的影响80

3.2.4.2 切削用量参数对加工表面质量的影响81

3.2.5 非球面超精密加工及误差补偿技术82

3.2.5.1 非球面透镜的加工技术82

3.2.5.2 非球面工件的误差补偿83

3.3 光学自由曲面超精密加工技术86

3.3.1 光学自由曲面加工原理86

3.3.2 大型五轴超精密加工中心87

3.3.3 切削加工工艺参数对加工表面质量的影响88

3.3.4 自由曲面加工刀具轨迹生成系统93

3.3.4.1 自由曲面数学表示方法93

3.3.4.2 光学自由曲面飞刀加工的刀位轨迹算法94

3.3.4.3 自动数控编程及其刀具轨迹仿真软件96

3.3.5 光学微透镜阵列的超精密加工100

3.3.5.1 FTS的结构特点与加工原理101

3.3.5.2 FTS加工非轴对称光学自由曲面过程102

3.3.5.3 FTS加工光学微透镜阵列过程104

3.3.6 光学微沟槽的超精密加工105

3.3.7 光学设计与制造一体化系统107

3.4 超精密抛光自由曲面光学表面生成110

3.4.1 自由曲面抛光110

3.4.2 超精密抛光自由曲面111

3.4.3 抛光策略建模与优化113

3.4.4 试验研究114

3.4.4.1 A部分试验：抛光去除表面刀痕的效果114

3.4.4.2 B部分试验：抛光策略对表面生成的影响115

参考文献117

第4章 光学自由曲面超精密测量技术120

4.1 概述120

4.2 光学曲面形状与表面粗糙度测量技术121

4.2.1 接触式激光干涉形貌测量法121

4.2.2 非接触式激光干涉形貌测量法123

4.2.3 超高精度原子力测量三维轮廓仪法124

4.2.4 超精密3D坐标测量机125

4.3 光学自由曲面形状测量原理126

4.3.1 形状评定的数学模型127

4.3.1.1 基准曲面的重构128

4.3.1.2 测量面与基准面的匹配128

4.3.2 形状误差评定参数131

4.3.3 形状误差评定的仿真、试验分析132

4.3.3.1 仿真分析132

4.3.3.2 试验分析135

4.4 基于曲面固有属性的自由曲面面形评定方法136

4.4.1 表面数据采样策略及曲面重构指标136

4.4.1.1 测量规划和采样策略136

4.4.1.2 曲面重构和平滑指标137

4.4.2 超精密自由曲面通用评定方法的开发138

4.4.3 试验验证及结果139

4.4.3.1 非球面表面评定139

4.4.3.2 微透镜阵列表面评定141

4.4.3.3 结果讨论与未来工作141

4.5 光学自由曲面表面粗糙度测量原理143

4.5.1 光学表面形貌测量143

4.5.1.1 多项式拟合法143

4.5.1.2 滤波法143

4.5.1.3 Motif法144

4.5.1.4 分形法144

4.5.2 稳健高斯滤波的数学模型145

4.5.3 稳健高斯滤波算法的仿真分析及试验验证146

4.5.3.1 仿真分析146

4.5.3.2 试验验证147

4.6 光学自由曲面三维形貌测量系统软件150

4.7 光学自由曲面面形与表面粗糙度测量实例152

参考文献153

第5章 超精密加工过程仿真及优化156

5.1 材致振动156

5.1.1 材致振动的概念156

5.1.2 微量切削力预测157

5.1.3 动态切削系统模型158

5.2 表面粗糙度预测159

5.3 加工过程仿真工件模型160

5.3.1 工件模型160

5.3.2 仿真数据记录162

5.3.3 刀具模型163

5.3.3.1 刀具模型描述163

5.3.3.2 刀具轮廓描述163

5.3.3.3 刀具扫描体简化163

5.3.4 车削加工过程仿真164

5.4 虚拟加工和检测系统164

5.4.1 VMIS体系结构165

5.4.2 虚拟现实环境166

5.4.3 加工系统设备建模方法167

5.4.3.1 虚拟机床167

5.4.3.2 虚拟测量机168

5.4.3.3 虚拟刀具168

5.4.3.4 虚拟夹具168

5.4.4 虚拟加工模块169

5.4.4.1 刀具工件相对位置计算子系统169

5.4.4.2 加工仿真子系统170

5.4.5 虚拟检测模块170

5.5 切削参数的优化选择172

5.6 误差补偿172

5.6.1 对刀误差预测与补偿173

5.6.2 机床几何误差补偿176

参考文献178

第6章 自由曲面光学组件设计、加工及面形测量集成制造技术平台180

6.1 概述180

6.2 集成制造系统181

6.2.1 光学设计模组182

6.2.2 数据转换模组182

6.2.3 加工过程仿真与优化模组184

6.2.3.1 光学自由曲面自动编程及刀具轨迹仿真软件开发184

6.2.3.2 加工过程仿真、精度预报、误差补偿及策略优化189

6.2.4 自由曲面测量与评估模组192

6.2.4.1 连续自由曲面误差评定算法193

6.2.4.2 结构型自由曲面误差评定算法196

6.3 成功应用案例198

6.3.1 案例1：用于激光打印机的关键f-θ透镜型芯零部件198

6.3.2 案例2：用于手机等微透镜阵列背光板的光学微结构200

参考文献202

第7章 自由曲面光学设计实例204

7.1 非球面成像系统204

7.1.1 非球面在校正与孔径有关的各区带高级球差上的应用204

7.1.2 非球面在校正与视场有关的像差上的应用206

7.2 自由曲面成像系统209

7.2.1 奥林巴斯自由曲面手机摄像镜头211

7.2.2 自由曲面f-θ透镜激光扫描系统211

7.2.3 渐进式自由曲面老花眼镜的设计213

7.2.3.1 单光眼镜（单焦点眼镜）213

7.2.3.2 双光眼镜（双焦点眼镜）213

7.2.3.3 三光眼镜214

7.2.3.4 渐进眼镜（多焦点眼镜）214

7.2.4 二元光学目镜219

7.2.5 三角棱镜指纹仪镜头220

7.2.6 多棱镜225

7.2.6.1 视频镜头照相物镜设计226

7.2.6.2 双影镜设计227

7.2.6.3 柱面镜设计228

7.2.6.4 多棱镜设计228

7.2.6.5 蜂窝棱镜设计229

7.2.7 光电鼠标的光学系统设计229

7.3 自由曲面照明系统233

7.3.1 LED准直内透镜234

7.3.2 LED准直外透镜236

7.3.3 LED均匀照明二次光学器件238

7.3.4 侧面发光LED内透镜239

7.3.5 侧面发光LED外透镜241

7.3.6 LED二次光学组件242

7.3.7 相机闪光灯的反光杯242

7.3.8 自由曲面平板显示背光源模块的设计247

7.3.8.1 手机背光源的基本结构248

7.3.8.2 轮廓渐变的自由曲面V形槽设计251

7.3.9 汽车前照灯自由曲面反光镜的设计254

7.3.10 LED路灯透镜二次光学组件的设计258

参考文献264