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 200 75
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