超精密自由曲面光学设计、加工及测量技术

  超精密自由曲面的光学设计、加工及测量技术是一项新兴的技术。本书系统介绍了自由曲面光学组件设计、加工、测量的基本理论、最新发展及应用实例，还总结了作者多年从事超精密加工技术研究的成果和经验。全书共分7章，包括自由曲面光学超精密制造技术概述、自由曲面光学设计、超精密加工技术、光学自由曲面超精密测量技术、超精密加工过程仿真及优化、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及自由曲面光学设计实例。
本书可供光学设计及超精密加工的研究人员、相关企业的技术人员与决策者参考，也可作为高等学校相关专业研究生的参考教材。

  李荣彬教授，现任香港理工大学讲座教授，超精密加工技术国家重点实验室伙伴实验室主任，广东省“纳米数控装备及纳米加工技术创新团队”带头人，曾任香港科技协进会会长、英国电机工程师学会(香港分会)主席、亚洲精密工程及纳米技术学会(ASPEN)会长，及多个国际知名刊物主编或编委。研究领域主要包括先进制造技术、材料加工、超精密加工、制造策略以及知识系统等。在国际学报上发表论文260余篇，出版学术专著3部，其著作《细观塑性理论及其应用》是国际上多尺度塑性的开创性研究之一。研究成果曾分别获得国家教育部科技进步奖及自然科学奖。
杜雪博士，现任香港理工大学工业及系统工程学系副教授，超精密加工技术国家重点实验室伙伴实验室及先进光学制造中心副主任。同时担任广东工业大学特聘教授、长春理工大学特聘教授、亚洲精密工程及纳米技术学会(AsPEN)委员会委员及中国机械工程学会(CMES)生产工程部委员会委员。自1994年起开始从事超精密加工技术、先进光学制造技术、精密注塑技术及材料工程的理论研究及应用研究。建立香港首间先进光学制造中心及超精密加工技术国家重点实验室，并担任中心的主要管理工作。先后获得研究基金达数千万港币，完成多项重大研究项目。发表SCI期刊论文100余篇，专利10余项，出版专著2部，并多次获邀作专题及特邀报告。
张志辉，现任香港理工大学工业及系统工程学系教授，超精密加工技术国家重点实验室伙伴实验室副主任。同时担任厂东工业大学及长春理工大学特聘教授、亚洲精密工程及纳米技术学会(ASPEN)委员会委员及中国机械工程学会(cMES)生产工程部委员会委员。从1996年开始一直从事超精密加工、微纳米表面测量、先进光学制造及其在工业领域应用等基础理论及应用科研工作。出版专著3部，发表sCI期刊论文110余篇。曾荣获多个国内外奖项，如2008年获东南亚高等教育联盟一斯高帕斯(ASAIHL—SCOPUS)青年科学家奖一工程与科技组亚军、201O年获英国机械工程师学会约瑟夫-惠特沃思奖(Joseph Whitworth Prize)、中国教育部2011年自然科学奖(二等奖)等殊荣。

  序
前言
第1章自由曲面光学超精密制造技术概述
1.1自由曲面光学的发展
1.2自由曲面光学组件
1.2.1自由曲面光学组件的类型
1.2.2自由曲面光学组件在光电系统设计中的应用
1.2.3自由曲面光学组件的重要特征
1.2.4自由曲面光学组件的加工工艺特征
1.3自由曲面光学的特殊光学性能及应用前景
1.3.1特殊光学性能
1.3.2应用前景
1.4超精密加工技术的发展
1.5自由曲面光学组件的制造过程
1.5.1光学产品设计及评估
1.5.1.1光学系统应用研究
1.5.1.2光学系统优化设计
1.5.1.3光学透镜原型试制
1.5.1.4光学组件原型检测与光学质量评估
1.5.2实际生产光学组件及产品光学质量评估
1.5.3利用计算机进行数字化设计与制造的探讨
1.5.3.1光学系统数学原型的构成
1.5.3.2光学成像质量的数字化检测
参考文献
第2章自由曲面光学设计
2.1自由曲面光学设计概述
2.2非球面光学成像系统的设计
?2.2.1光学成像系统的基本结构
2.2.2非球面的定义
2.2.3非球面空间光线的追迹
2.2.4非球面的初级像差
2.3自由曲面光学系统的设计
2.3.1自由曲面光学组件的特征与数学表达式
2.3.2自由曲面光学组件的光线追迹
2.3.2.1贝塞尔裁剪法
2.3.2.2光线-有理贝塞尔曲面的相交
2.3.2.3NURBS曲面的光线追迹
2.4光学系统的优化
2.4.1评价函数
2.4.1.1由几何像差构成的评价函数
2.4.1.2由点列图构成的评价函数
2.4.1.3由波差构成的评价函数
2.4.1.4由光学传递函数构成的评价函数
2.4.2最小二乘法
2.4.2.1概述
2.4.2.2阻尼最小二乘法
2.4.3基因算法
2.5光学系统的像质评定
2.5.1瑞利判据
2.5.2点列图法
2.5.3光学传递函数法
2.6自由曲面成像系统设计思路
2.7照明系统设计基础
2.7.1辐射度学中的量
2.7.2亮度学中的量
2.7.3辐射度学与亮度学中量的对应关系
参考文献
第3章超精密加工技术
3.1超精密加工机床的关键技术
3.1.1超精密主轴部件
3.1.2机床床身布局与精密导轨部件
3.1.2.1超精密加工机床的布局
3.1.2.2床身和导轨材料的选用
3.1.2.3导轨形式的选用
3.1.3高精密度的进给驱动系统
3.1.4机床运动部件位移的纳米量级激光在线检测系统
3.1.5超精密加工机床的数控技术
3.1.6机床隔振及环境控制系统
3.2单点超精密切削技术
3.2.1两轴超精密加工机床
3.2.1.1两轴超精密加工机床Nanofom200
3.2.1.2大型两轴超精密加工机床
3.2.2单点金刚石超精密切削原理
3.2.3金刚石切削刀具的特性
3.2.4切削参数对加工表面质量的影响
3.2.4.1刀具几何参数对加工表面质量的影响
3.2.4.2切削用量参数对加工表面质量的影响
3.2.5非球面超精密加工及误差补偿技术
3.2.5.1非球面透镜的加工技术
3.2.5.2非球面工件的误差补偿
3.3光学自由曲面超精密加工技术
3.3.1光学自由曲面加工原理
3.3.2大型五轴超精密加工中心
3.3.3切削加工工艺参数对加工表面质量的影响
3.3.4自由曲面加工刀具轨迹生成系统
3.3.4.1自由曲面数学表示方法
3.3.4.2光学自由曲面飞刀加工的刀位轨迹算法
3.3.4.3自动数控编程及其刀具轨迹仿真软件
3.3.5光学微透镜阵列的超精密加工
3.3.5.1FTS的结构特点与加工原理
3.3.5.2FTS加工非轴对称光学自由曲面过程
3.3.5.3FTS加工光学微透镜阵列过程
3.3.6光学微沟槽的超精密加工
3.3.7光学设计与制造一体化系统
?3.4超精密抛光自由曲面光学表面生成
3.4.1自由曲面抛光
3.4.2超精密抛光自由曲面
3.4.3抛光策略建模与优化
3.4.4试验研究
3.4.4.1A部分试验：抛光去除表面刀痕的效果
3.4.4.2B部分试验：抛光策略对表面生成的影响
参考文献
第4章光学自由曲面超精密测量技术
4.1概述
4.2光学曲面形状与表面粗糙度测量技术
4.2.1接触式激光干涉形貌测量法
4.2.2非接触式激光干涉形貌测量法
4.2.3超高精度原子力测量三维轮廓仪法
4.2.4超精密3D坐标测量机
4.3光学自由曲面形状测量原理
4.3.1形状评定的数学模型
4.3.1.1基准曲面的重构
4.3.1.2测量面与基准面的匹配
4.3.2形状误差评定参数
4.3.3形状误差评定的仿真、试验分析
4.3.3.1仿真分析
4.3.3.2试验分析
4.4基于曲面固有属性的自由曲面面形评定方法
4.4.1表面数据采样策略及曲面重构指标
4.4.1.1测量规划和采样策略
4.4.1.2曲面重构和平滑指标
4.4.2超精密自由曲面通用评定方法的开发
4.4.3试验验证及结果
4.4.3.1非球面表面评定
4.4.3.2微透镜阵列表面评定
4.4.3.3结果讨论与未来工作
4.5光学自由曲面表面粗糙度测量原理
4.5.1光学表面形貌测量
4.5.1.1多项式拟合法
4.5.1.2滤波法
4.5.1.3Motif法
4.5.1.4分形法
4.5.2稳健高斯滤波的数学模型
4.5.3稳健高斯滤波算法的仿真分析及试验验证
4.5.3.1仿真分析
4.5.3.2试验验证
4.6光学自由曲面三维形貌测量系统软件
4.7光学自由曲面面形与表面粗糙度测量实例
参考文献
第5章超精密加工过程仿真及优化
5.1材致振动
5.1.1材致振动的概念
5.1.2微量切削力预测
5.1.3动态切削系统模型
5.2表面粗糙度预测
5.3加工过程仿真工件模型
5.3.1工件模型
5.3.2仿真数据记录
5.3.3刀具模型
5.3.3.1刀具模型描述
5.3.3.2刀具轮廓描述
5.3.3.3刀具扫描体简化
5.3.4车削加工过程仿真
5.4虚拟加工和检测系统
5.4.1VMIS体系结构
5.4.2虚拟现实环境
5.4.3加工系统设备建模方法
5.4.3.1虚拟机床
5.4.3.2虚拟测量机
5.4.3.3虚拟刀具
5.4.3.4虚拟夹具
5.4.4虚拟加工模块
5.4.4.1刀具工件相对位置计算子系统
5.4.4.2加工仿真子系统
5.4.5虚拟检测模块
5.5切削参数的优化选择
5.6误差补偿
5.6.1对刀误差预测与补偿
5.6.2机床几何误差补偿
参考文献
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
6.1概述
6.2集成制造系统
6.2.1光学设计模组
6.2.2数据转换模组
6.2.3加工过程仿真与优化模组
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
6.2.3.2加工过程仿真、精度预报、误差补偿及策略优化
6.2.4自由曲面测量与评估模组
6.2.4.1连续自由曲面误差评定算法
6.2.4.2结构型自由曲面误差评定算法
6.3成功应用案例
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
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
参考文献
第7章自由曲面光学设计实例
7.1非球面成像系统
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
7.1.2非球面在校正与视场有关的像差上的应用
7.2自由曲面成像系统
7.2.1奥林巴斯自由曲面手机摄像镜头
7.2.2自由曲面f-θ透镜激光扫描系统
?7.2.3渐进式自由曲面老花眼镜的设计
7.2.3.1单光眼镜（单焦点眼镜）
7.2.3.2双光眼镜（双焦点眼镜）
7.2.3.3三光眼镜
7.2.3.4渐进眼镜（多焦点眼镜）
7.2.4二元光学目镜
7.2.5三角棱镜指纹仪镜头
7.2.6多棱镜
7.2.6.1视频镜头照相物镜设计
7.2.6.2双影镜设计
7.2.6.3柱面镜设计
7.2.6.4多棱镜设计
7.2.6.5蜂窝棱镜设计
7.2.7光电鼠标的光学系统设计
7.3自由曲面照明系统
7.3.1LED准直内透镜
7.3.2LED准直外透镜
7.3.3LED均匀照明二次光学器件
7.3.4侧面发光LED内透镜
7.3.5侧面发光LED外透镜
7.3.6LED二次光学组件
7.3.7相机闪光灯的反光杯
7.3.8自由曲面平板显示背光源模块的设计
7.3.8.1手机背光源的基本结构
7.3.8.2轮廓渐变的自由曲面V形槽设计
7.3.9汽车前照灯自由曲面反光镜的设计
7.3.10LED路灯透镜二次光学组件的设计
参考文献

自由曲面给传统光学以新的生命力，由其构成的光学组件作为信息传递的关键组件，在计算机、光通信、手机、数码以及视听设备等各种光电产品中，起着极其重要的作用。自由曲面光学是伴随光电信息技术的迅速发展而形成的新兴光学应用技术学科。 自由曲面光学与传统球面光学比较，有以下三个不同的特点： 一、突破传统光学成像的概念，根据现代光电信息技术对信息发送、接收、转换、传递与存储功能的特殊需要，光学面形可由非对称、不规则、复杂的自由曲面随意组合而成。 二、突破传统光学加工方法的概念，采用先进的数控超精密制造技术，直接加工出自由曲面光学面，被加工表面可以达到亚微米量级面形精度与纳米量级表面粗糙度。 三、突破传统光学玻璃材料的概念，采用光学塑料注塑等新材料新技术，大批量生产光学组件。 自由曲面的应用，使得光学成像系统的成像质量大大提高，光学照明和信息传输系统的照明均匀性和能量传输效率大大提高。各种变形透镜、棱镜与反光镜使得系统的空间布局灵活性增加，系统光路大大压缩，系统的轻量化更容易实现，产品的结构与性能得以优化。同时，自由曲面光学元件采取大批量生产工艺生产，大大降低了产品的成本，因此自由曲面光学产品极大地扩展了应用的空间，市场需求也获得急速增长。 自由曲面光学的设计与超精密制造技术，是当代最高水平的计算机辅助设计、制造与检测技术集成的先进光学制造工程技术。随着香港经济的转型，香港的制造业越来越向着高科技、高附加值方向发展。高精度、高质量产品的需求将日益增加，并且正在向着微型化的方向发展。因而，先进光学超精密制造技术对制造业的发展前景的影响确实是举足轻重的，而且对精密加工技术的发展也至关重要。 香港理工大学超精密加工技术国家重点实验室伙伴实验室（以下简称“实?验室”）获得香港特区政府创新科技署拨款于1996年成立，是亚洲最先进的光学制造实验室之一。实验室拥有先进的超精密加工及测量设备，并担负着在中国推广和使用超精密加工技术的使命，是香港首家推广与应用超精密加工技术、光学精密模具技术及光学产品精密注塑技术的先进光学制造实验室。 实验室在超精密加工技术领域不断进行科学研究、产品开发及科技推广活动。其研究工作主要包括：超精密切削机理；脆性材料超精密加工方法；金属晶体取向对超精密加工的影响；不同材料、切削量及切削速度对表面粗糙度的影响，以及在加工过程中材料引起的表面振动等情况的模拟（可成功地预测在不同条件下超精密加工表面的情况）。同时，实验室还对光学自由曲面及光学微结构的超精密加工技术进行研究，目前正在开发一套适合超精加工微型槽和微透镜列阵的刀具轨迹自动生成软件。 实验室经过多年的研究与发展，在理论与技术上日渐完善。 本书以设计与制造的实践为基础，详细讨论了自由曲面的光学设计、加工、测量等问题，为读者提供了与之相关的系统的理论、先进的技术、丰富的案例以及详实的方法。本书可为从事光学设计、先进制造技术的研究人员，以及对本领域感兴趣的技术人员提供参考。 本书的编写出版得到了“广东省引进创新科研团队计划——纳米级精度加工技术与装备的研发”（项目编号：201001G0104781202）和“国家自然科学基金——超精密多轴飞刀铣削金刚石刀具磨损在线测量和预测的理论及应用研究”（项目编号：51275434）项目的大力支持与资助。书中内容取材于作者多年的学术积累及有关参考文献，融入了为工业界及研究院所、大专院校提供技术服务所得的一些新见解，在此谨向相关作者及业界同仁致以诚挚的谢意！实验室的同事和研究生们为本书的编写做了大量的资料整理及收集工作，在此也向同事和研究生们一直以来对实验室发展所做的奉献及付出表示衷心的感谢！ 衷心希望广大读者对书中的不足之处给予批评指正。 李荣彬杜雪张志辉2015年1月 于香港