自由曲面光学元件的设计、加工及面形测量的集成制造技术.pdf

第46卷第11期机械工程学报Vol.46No.11
2010年6月JOURNALOFMECHANICALENGINEERINGJun.2010

DOI：10.3901/JME.2010.11.137

自由曲面光学元件的设计、加工及面形
测量的集成制造技术*

李荣彬张志辉杜雪孔令豹蒋金波
(香港理工大学工业及系统工程学系香港00852)

摘要：针对自由曲面光学组件的超精密制造这门崭新技术，开发出从自由曲面光学设计、CAD连续数据转化、自由曲面模
型重构、多轴加工仿真与切削优化、加工误差补偿到自由曲面面形测量的集成制造信息平台。所开发的集成技术，能有效减
少在同类多轴机床编写复杂数控程序的时间，优化加工条件与切削策略，针对不同类型的自由曲面光学零件的主工艺，进行
数字化仿真，避免昂贵的反复试切试验，以及提高产品的面形精度。并通过一系列的试验来验证该集成平台的稳定性和有
效性。
关键词：自由曲面光学元件超精密加工自由曲面测量数字化仿真
中图分类号：TB249

IntegratedManufacturingTechnologyforDesign,Machiningand
MeasurementofFreeformOptics

LEEWingbunCHEUNGChifaiTOSuetKONGLingbaoJIANGJinbo
(DepartmentofIndustrial&SystemsEngineering,
TheHongKongPolytechnicUniversity,HongKong00852)

Abstract：Ultra-precisionmachiningtechnologyplaysanimportantroleinthemanufactureofadvancedfreeformoptics.An
integratedmanufacturingplatformisdevelopedtocoverfreeformopticsdesign,CADcontinuousdatatransform,freeformmodel
re-construction,simulationandcuttingoptimizationofmulti-axismachining,compensationofmachiningerrors,andthe
measurementandcharacterizationoffreeformsurfaces.Theadoptionoftheplatformtechnologyshortensthetimetodevelop
complexNCprogramsfordifferentmulti-axismachinetoolstomanufacturedifferenttypesoffreeformoptics.Thissystemhelpsto
avoidexpensiverepeatedcuttingtests,aswellastoimprovethesurfacequalityoffreeformproducts.Thestabilityandeffectiveness
oftheproposedintegratedplatformareverifiedthroughaseriesoftests.
Keywords：FreeformopticsUltra-precisionmachiningFreeformmeasurementDigitalsimulation

头、激光打印机扫描仪镜头、衍射光学器件、宽带
0前言*光纤耦合器、背投电视的后反射镜、车灯的反射镜
和灯罩、平面显示器的导光板等，已经广泛使用了
自由曲面光学元件设计及其制造是一门崭新自由曲面，其市场需求十分巨大，并且在迅猛增长
的技术，它突破传统光学成像的概念，将复杂的自中，预测2010年全球光电市场价值将由2002年的
由曲面组合成光学系统，优化了产品的结构与性能，2520亿美元增加到5200亿美元。
各种高附加值的光电产品，已经转向具有微结构特本文在自由曲面光学设计、多轴超精密自由曲
点的、非回转对称的复杂自由曲面光学元件，它们面加工、刀具轨迹生成、工艺流程仿真及工艺优化、
是光电信息技术和光通信技术中不可缺少的关键元自由曲面的面形测量与光学性能评定等方面均作了
件。目前一些成像系统和照明系统，如数码摄像镜大量的研发工作，通过大量的算法研究获得最佳的
光学设计、加工优化及面形精度测量结果，从而无
*中国香港特区研究资助局资助项目(PolyU5140/05E)。20090625收到须再花费大量的时间编写程序及进行昂贵的试切试
初稿，20091217收到修改稿
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验，例如一个F-th