光學自由曲面制造基礎(chǔ)的研究

1、項目名稱：光學自由曲面制造的基礎(chǔ)研究首席科學家：房豐洲天津大學起止年限：2011.1至2015.8依托部門：教育部天津市科委二、預(yù)期目標(1)總體目標針對國家發(fā)展的重大需求對光學自由曲面制造技術(shù)的要求，深入研究并解決光學自由曲面制造中的重大關(guān)鍵基礎(chǔ)科學問題，揭示自由曲面成型過程中納觀尺度材料遷移新理論，掌握和研究光學自由曲面高效、納米級精度加工工藝技術(shù)及裝備的共性基礎(chǔ)問題，發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)、具有國際先進水平的高精度、可控面形的光學自由曲面加工技術(shù)，培育我國光學自由曲面加工領(lǐng)域在國際上具有重要影響的學術(shù)帶頭人和創(chuàng)新團隊，推動我國制造技術(shù)基礎(chǔ)理論研究，確立在光學自由曲面制造領(lǐng)域國際競爭中的優(yōu)勢

2、地位，增強光學自由曲面核心關(guān)鍵器件自主創(chuàng)新能力，并將光學自由曲面制造理論向更多領(lǐng)域縱深發(fā)展，推動我國科技進步。(2)五年預(yù)期目標在理論研究方面：解決光學自由曲面制造中的關(guān)鍵科學問題，為實現(xiàn)高精度、高效率和高可靠性的光學自由曲面制造技術(shù)與裝備提供理論基礎(chǔ)，躋身于國際制造科學研究領(lǐng)域的前沿。揭示光學自由曲面加工裝備多體多態(tài)動力學行為與精度穩(wěn)定性的映射規(guī)律、時變工況激勵下控制系統(tǒng)與機械結(jié)構(gòu)耦合動態(tài)特征對加工精度的擾動規(guī)律，建立幾何/物理/材料關(guān)聯(lián)約束條件下光學自由曲面的空間機構(gòu)構(gòu)型創(chuàng)新設(shè)計與優(yōu)化理論；揭示光學自由曲面非均勻變流向納觀材料遷移規(guī)律，建立曲面成形過程中跨尺度材料特性演變、表層及近表層材料

3、結(jié)構(gòu)變化等基礎(chǔ)理論；揭示光學自由曲面物理再構(gòu)過程中加工工具在力、熱和化學等多場耦合環(huán)境下與加工材料之間相互作用和微觀力學行為，建立加工工具的失效形式及其加工性能的演變理論；揭示多物理場輔助下納米切削行為、離子注入表面改性后的硬脆材料切削規(guī)律，建立工具磨損抑制及材料學分析測試理論。在技術(shù)應(yīng)用方面:通過本項目研究，在若干關(guān)鍵技術(shù)上取得源頭創(chuàng)新成果，提升我國光學自由曲面制造裝備及關(guān)鍵應(yīng)用零部件的制造水平。設(shè)計光學自由曲面離軸三反望遠光學系統(tǒng)，并完成系統(tǒng)中自由曲面器件的制造和裝配，系統(tǒng)視場角達到50o-60。以上，成像質(zhì)量接近衍射極限，同時解決子午與弧矢面間放大倍率的不一致問題；實現(xiàn)光學晶體復眼結(jié)構(gòu)器

4、件（材料為ZnS/ZnSe）的設(shè)計及加工，具體技術(shù)指標為：單元尺寸010mm,單元數(shù)量>40個，整體尺寸<150mm,面形精度PV<10um,表面粗糙度Ra<8nm；實現(xiàn)下一代IC裝備SMO光源系統(tǒng)中核心光學自由曲面非球面微透鏡陣列（材料為光學玻璃/塑料）的設(shè)計及加工，具體技術(shù)指標為：透鏡口徑<150mm,單元尺寸01mm,單元數(shù)量>50個，面形精度PV<8um,表面粗糙度Ra<10nm；突破納米級刃口微刀具創(chuàng)成技術(shù)難題，實現(xiàn)納觀材料遷移機理驗證，完成圓弧、直線、鋸齒、尖角等典型刃口半徑在30nm以下微刀具；突破加工工具磨損抑制技術(shù)難點，為光學自

5、由曲面加工提供先進工具和加工液，建立多物理場輔助切削在線實驗裝置和材料學分析測試平臺；突破原位測量系統(tǒng)設(shè)計和裝配技術(shù)難題，建立激光干涉接觸式探針測量和多功能集成柔性光學式原位測量系統(tǒng)，量程為150mm,測量分辨率達20nm,測量精度0.3um,實現(xiàn)光學自由曲面的測量、分析和質(zhì)量控制；構(gòu)建光學自由曲面建模與光學特性評價平臺、加工質(zhì)量綜合評估與控制平臺，建立光學自由曲面形成過程的智能仿真與表面質(zhì)量數(shù)字化評價體系，實現(xiàn)零部件的高效制造與性能定量預(yù)測。在論文與人才培養(yǎng)方面：本項目研究過程中，擬發(fā)表論文200-240篇，其中三大檢索收錄論文占80%,申請專利1020項；組織高水平的國際會議23次；形成具

6、有重要國際影響的光學自由曲面制造技術(shù)研究隊伍；涌現(xiàn)出一批優(yōu)秀中青年人才，包括國際前沿學術(shù)帶頭人12人；培養(yǎng)博士生、碩士生50-80人。三、研究方案光學自由曲面制造的關(guān)鍵技術(shù)中提煉出共性科學問題，分別從曲面建構(gòu)、物理再構(gòu)和精度改善三方面進行研究。在研究方法上，通過理論與實驗的緊密結(jié)合，將理論研究、技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用示范相結(jié)合，揭示材料在納米尺度下相互作用的規(guī)律，建立光學自由曲面制造理論基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)平臺，其成果適合應(yīng)用于其他重大需求領(lǐng)域。曲面建構(gòu)：分析光學自由曲面的應(yīng)用要求，借助光學理論將要求指標化，轉(zhuǎn)換為具體的光學性能參數(shù)。依據(jù)應(yīng)用范圍分為非成像和成像光學器件，結(jié)合計算機圖形學進行光學性能參數(shù)和空

7、間表達映射理論的分析。針對非成像光學器件，利用非成像光學理論中的光學擴展量守恒定律和邊緣光線原理，借助微分幾何理論確定光學性能和空間表達的離散型映射模型；針對成像光學系統(tǒng)，建立自由曲面的直接光線追跡模型，綜合多目標評價函數(shù)進行模型參數(shù)的最優(yōu)化求解。采用NURBS重構(gòu)方法建構(gòu)曲面型映射模型，重點考慮表達方式的一致性、高階誤差評定、空間特征解析等理論，進行空間表達的高精度建構(gòu)、轉(zhuǎn)型和特征解析。結(jié)合以上研究成果和具體應(yīng)用實例，建立光學自由曲面建模和光學特性評價體系及平臺。物理再構(gòu)：建立幾何/物理/材料（GPM）三元關(guān)聯(lián)約束的多維集成光學自由曲面制造裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計與開發(fā)理論，建立光學自由曲面加工精度關(guān)于

8、加工裝備多體多態(tài)動力學行為的反推演模型，研究提高精度穩(wěn)定性的多態(tài)聯(lián)合補償策略?；诠鈱W自由曲面空間表達和空間特征解析理論，結(jié)合物理再構(gòu)的運動學機制，實現(xiàn)加工區(qū)域劃分策略和變行距軌跡及無縫銜接軌跡規(guī)劃，并分析工具干涉檢驗與防干涉運動策略。提取耦合動態(tài)特征對加工精度的擾動規(guī)律，建立基于耦合動態(tài)特征的控制參數(shù)與機械結(jié)構(gòu)逆向優(yōu)化匹配理論，研究控制參數(shù)的優(yōu)化匹配對加工精度的調(diào)控機制。綜合以上研究成果及工藝試驗結(jié)果，建立光學自由曲面智能成型仿真與表面質(zhì)量數(shù)字化評價體系。精度改善：該方面是本項目的研究重點之一，光學自由曲面的精度改善體現(xiàn)在表面質(zhì)量和面形精度兩個方面。在表面質(zhì)量的改善方面，重點依賴對納觀材料遷

9、移行為和界面作用機理的透徹解析。利用第一性原理和基于密度泛函平面波震勢方法，建立不同材料原子間的相互作用勢能函數(shù)，進行納米尺度材料遷移的分子動力學模擬，并通過橋尺度函數(shù)與利用連續(xù)域的離散單元方法的宏觀模型仿真聯(lián)合，獲取成形過程中的宏觀和微觀物理信息，建立納觀非均勻變流向材料遷移理論。利用現(xiàn)代摩擦學的理論與方法，進行納觀尺度的工具磨損機理的研究，分析多場耦合環(huán)境中加工工具與加工材料相互作用與微觀力學行為，提出采用基于固結(jié)磨料化學機械磨削原理的光學自由曲面超精密加工新方法，利用加工過程中化學和機械復合作用實現(xiàn)高精度高表面質(zhì)量表面的加工。針對常用的硬脆性材料，采用多物理場輔助與離子注入表面改性技術(shù)，

10、進行工具磨損抑制效應(yīng)分析。利用聚焦離子束進行納米刃口工具的制備，完全符合模擬過程中的工具尺度，并采用錐面成形途徑實現(xiàn)納觀材料遷移行為的分析驗證。同時輔以各種顯微結(jié)構(gòu)表征手段（如原子力顯微鏡、顯微拉曼光譜分析等）對材料成形過程中表面/近表面微觀結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律進行檢測和觀察。原位測量系統(tǒng)的應(yīng)用和補償技術(shù)的開發(fā)是面形精度提高的重要手段。利用激光干涉?zhèn)鞲泻图す夤簿劢箓鞲屑夹g(shù)實現(xiàn)原位系統(tǒng)開發(fā)，建立測量方法及系統(tǒng)裝配的精度模型，提高大量程原位測量系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性，搭建光學自由曲面質(zhì)量綜合評估與控制平臺，實現(xiàn)面形精度的評價和補償。以上立體布局使本項目研究方向構(gòu)成一個整體，各研究方向較強的有機聯(lián)系，有助于課

11、題間交叉聯(lián)合和項目持續(xù)推進，使研究向縱深發(fā)展。四、年度計劃研究內(nèi)容預(yù)期目標第一年(1)研究光學精度卜自由曲面面形重構(gòu)技術(shù)，建立在設(shè)計和制造中具有一致性的光學自由曲面空間表達模型，開展離*由三反光學成像系統(tǒng)的設(shè)計研究；(2)研究GPM約束的多維集成方法，及光學自由曲間形成的空間機構(gòu)構(gòu)型設(shè)計及空間優(yōu)化；(3)研究材料內(nèi)部勢函數(shù)建立、分子動力學方法仿真及實驗、光學材料表層晶態(tài)演義；(4)進行化學機械磨削砂輪的組織設(shè)計和制造，藝研究，研究脆性材料超精密加工技術(shù)及離子注入表面改，生技術(shù)的理論；(5)進行氣載激光干涉?zhèn)鞲薪佑|式測量系統(tǒng)設(shè)計，系統(tǒng)誤差分析及精度驗證；(6)研究測量控制點與再構(gòu)控制點(1)建立

12、自由曲面的描述體系及高精度誤:差評定方法；(2)建立光學自由曲面二元關(guān)聯(lián)約束卜多維集成，及空間構(gòu)型理論和優(yōu)化理論；(3)提出基于納米量級去除的以推擠為主因的加工機理及材料表層結(jié)構(gòu)演變機理，建立Ge材料勢能函數(shù)，組建聚焦離子束制備高微刀具的多自由度制造平臺；(4)建立化學機械磨削實驗臺，設(shè)計金剛石-黑色金屬摩擦化學反應(yīng)機理試驗裝置、超聲振動輔助磨拋加工試驗試驗裝置、電磁場加載試驗裝置；(5)建立氣載激光干涉?zhèn)鞲薪佑|式測量實驗平臺及測量理論；(6)建立再構(gòu)軌跡約束的測量軌跡規(guī)劃理論及多分辨率測量軌跡規(guī)劃研究內(nèi)容預(yù)期目標T性模型及精度實驗，基于曲面特征的多分辨率測量路徑規(guī)劃及實驗。理論。第二年(1)

13、研究照明系統(tǒng)接收面照度分布及入射點光強與光學表面設(shè)建數(shù)的直接映射規(guī)律，多參數(shù)約束卜(照明均勻性、照明區(qū)域形狀、照明光線角度等)自由曲面的最優(yōu)解；(2)研究GPM約束光學自由曲面加工裝備單元部件、結(jié)合同及整機多剛體/多柔體靜、動、熱態(tài)行為，及多體多態(tài)耦合動力學性能參數(shù)與加工精度映射規(guī)律與調(diào)控機制；(1)初步兀成基于自由去面光學兀件的大視場離*由三反系統(tǒng)的設(shè)計，照明系統(tǒng)多參數(shù)約束光學自由曲面設(shè)計方法，建立照明系統(tǒng)光學性能與空間特征映射模型；(2)建立光學自由曲面加工精度關(guān)于加工裝備多體多態(tài)動力學行為的反推演模型，完成提高精度穩(wěn)定性的多態(tài)聯(lián)合補償機制；(3)建立工件材料與工具作用勢能函數(shù)，實現(xiàn)微刀具

14、結(jié)構(gòu)設(shè)計、制備工研究內(nèi)容(3)研究離散單元法的納觀遷移仿真方法、材料及工具之間勢能函數(shù)建立及修正，進行聚焦離子束微刀具設(shè)計、仿真及工藝研究；(4)研究化學機械磨削中砂輪與工件界面中固相反應(yīng)主要影響因素、超硬光學材料加工表面/亞表面完整性以及加工工具性能微觀檢測和評價方法，進行材料學分析測試；(5)研究基于激光測量及視覺檢測原理的光學式集成測量系統(tǒng)設(shè)計及高精度標定，進行柔性改造及柔性控制測量實驗；(6)研究物理標記點綜合再構(gòu)和測量路徑規(guī)劃方法及LM-ICP精匹配方法，進行加工及測量實驗進行精度驗證和分析。預(yù)期目標藝優(yōu)化；(4)建立超硬光學材料加工表面/亞表面完整性以及加工工具性能微觀檢測和評價體

15、系，確定化學機械磨削中砂輪與工件界面中固相反應(yīng)及金剛石-黑色金屬摩擦化學反應(yīng)的主要影響因素，建立激光誘導改善切削性能試驗裝置；(5)建立多功能集成化柔性光學測量實驗平臺及光學式原位測量的關(guān)鍵基礎(chǔ)理論；(6)建立基于物理標記點的自由曲面模型粗匹配理論，基于曲面局部特征的自由曲面模型精匹配理論。預(yù)期目標研究內(nèi)容(1)研究基于自由曲面成像系統(tǒng)光學性能與空間特征映射基礎(chǔ)理論、設(shè)計方法及像質(zhì)評價體系，研究面形參數(shù)對像質(zhì)評價的擾動效應(yīng)；(2)研究自由曲面區(qū)域劃分、曲率時變性特征及其相關(guān)性，研究干涉檢驗與運動控制策略、變行距軌跡生成與不同區(qū)域軌跡的無縫銜接方法；第(3)研究多尺度方法復合分析的納觀仿真方法，

16、非均勻變流向成型中材三料的變形行為，研究納米尺度的晶格畸變與缺陷、材料塑性與斷裂行為，年對于光學自由曲面材料功能特性的影響；(4)實驗研究化學機械磨削中砂輪與工件界面中的物理化學行為及其耦合作用、黑色金屬切削中金剛石刀具的磨損規(guī)律；實驗研究低功率超快飛秒脈沖激光作用下材料納觀性能演變規(guī)律、離子注入硅片切削及相關(guān)試驗分析；(1)建立單獨自由曲面或混合光學系統(tǒng)的像差、MTF等光學模型，評估光學自由曲面光學元件的容差要求，完成基于自由去面光學元件的大視場離軸三反系統(tǒng)的設(shè)計；(2)建立以光學自由曲面的逐次迭代去除模型，形成光學自由曲面的分域迭代加工理論體系；(3)建立光學自由曲面成形過程中材料表層光學

17、特性及力學特性演變理論，納觀尺度下光學自由曲面非均勻變流向加工仿真及分析；(4)建立化學機械磨削中砂輪與工件界面中的物理化學行為及其耦合作用機理模型，確定金剛石刀具的磨損及引起工具性能演變的主要影響因素；建立超精密車床離子注入硅片單點金剛石切削關(guān)鍵技術(shù)；(5)建立高效被動原位測量基礎(chǔ)理論、原位測量系統(tǒng)集成中的系統(tǒng)誤差模型及補償理論；研究內(nèi)容預(yù)期目標(5)實驗研究高效被動測量方法、(6)建立海量數(shù)據(jù)高效分隔及重構(gòu)研究原位測量系統(tǒng)在原位集成中的理論方法，提出海量數(shù)據(jù)的高效無形系統(tǒng)誤差溯源、加工表面細節(jié)增強及變縮減方法。特征提取技術(shù)；(6)研究基于海量數(shù)據(jù)模型主特征線提取的海量數(shù)據(jù)分隔及重構(gòu)、分隔數(shù)

18、據(jù)的無義形縮減建模方法。(1)研究基于自由曲面的照明系統(tǒng)(1)建立離*由三反望遠光學實驗系設(shè)計，研究照明系統(tǒng)接受面照度分布統(tǒng)，建立照明系統(tǒng)接受面照度分布及及入射點方向與光學表面設(shè)建數(shù)入射點方向與光學表面設(shè)建數(shù)的的直接映射規(guī)律，快速有效的建立多直接映射規(guī)律；第參數(shù)約束的自由曲面的數(shù)值表達式；(2)建立基于耦合動態(tài)特征的控制(2)研究光學自由曲面時變工況激參數(shù)與機械結(jié)構(gòu)逆向優(yōu)化匹配理論，四勵下加工精度保證體系、時變工況激提供時變工況激勵下控制系統(tǒng)與機勵下控制系統(tǒng)與機械結(jié)構(gòu)耦合動態(tài)械結(jié)構(gòu)耦合對加工精度影響規(guī)律；完年特征表達方法及對加工精度的擾動成控制參數(shù)的優(yōu)化匹配以及加工精規(guī)律、基丁耦合動態(tài)特征的控

19、制參數(shù)度的調(diào)控機制；與機械結(jié)構(gòu)逆向優(yōu)化匹配；(3)實現(xiàn)納觀尺度卜光學自由曲面(3)對納米去除材料的表面/業(yè)表面非均勻變流向加工仿真及分析，建立裂紋進行檢測分析，研究探索加工區(qū)光學自由曲面成形過程中材料表層研究內(nèi)容域的溫度場分布及其對加工表面質(zhì)量的影響規(guī)律，分析微納尺度內(nèi)裂紋核擴展的臨界應(yīng)變能與臨界加工量的映射關(guān)系；(4)實驗研究化學機械磨削砂輪的磨損特性及其對加工的影響，研究超聲振動輔助磨拋加工機理、納觀成型中多物理場加載抑制單晶金剛石刀具磨損的機理模型，進行離子注入材料的納米切削分子動力學仿真；(5)研究測量系統(tǒng)與加工裝備的坐標一致性策略、原位測量系統(tǒng)在加工裝配中的PMAC數(shù)控與反饋策略；(

20、6)研究自由曲面測量數(shù)據(jù)的高效穩(wěn)健濾波算法、研究自由曲面表面質(zhì)量數(shù)據(jù)與面形數(shù)據(jù)的分離及解析方法，確立測量數(shù)據(jù)的面形誤差分布規(guī)律，進行實際的再構(gòu)及補償實驗研究。預(yù)期目標特性演變機理，揭示沿不同晶向的裂紋形式、分布規(guī)律和擴展機制等；建立控制納米尺度裂紋擴展的臨界條件；(4)建立黑色金屬切削中金剛石刀具磨損量預(yù)測模型，提出抑制刀具磨損的措施；建立超聲振動輔助磨拋加工機理、外加物理場抑制刀具磨損的機理、離子注入表面改性完整理論模型；(5)建立原位測量系統(tǒng)高效可控的裝配定位理論和調(diào)控方法、高效、無干涉的原位測量系統(tǒng)數(shù)控理論，實現(xiàn)原位測量系統(tǒng)在加工裝備中的高精度定位和高效數(shù)控與反饋。(6)建立光學自由曲面

21、測量數(shù)據(jù)面形誤差高效分離理論方法、建立光學自由曲面補償再構(gòu)的軌跡再規(guī)劃方法,完成光學自由曲面面形質(zhì)量控制再構(gòu)。預(yù)期目標研究內(nèi)容(1)基于自由曲面的成像系統(tǒng)光學設(shè)計方法及其像質(zhì)評價體系的研究；(2)研究光學自由曲面分域迭代去除模型的數(shù)字化模型及加工裝備多體多態(tài)動力學模型建立方法，時變工況激勵下控制系統(tǒng)與機械機構(gòu)耦合動態(tài)特征對加工精度影響規(guī)律的數(shù)字化描述；第(3)探索新的微納觀表層晶相在線檢測方法，采用納米級刃口半徑的金五剛石微刀具，建立連續(xù)變深材料遷移實驗驗證方法；年(4)進行典型光學材料的化學機械磨削、磨拋工具設(shè)計和超聲振動輔助磨拋、黑色金屬(光學元件模具材料)的切削工藝實驗；研究適用于超精密

22、車床的在線物理場加載設(shè)備，注入后材料對光學性能的影響和抑制效應(yīng)；(5)研究光學自由曲面模擬加工仿真模型，針對典型光學自由曲面器件,建立其光學特性參數(shù)和幾何誤差(1)完成自由曲面為微透鏡陣列的設(shè)計方法、像質(zhì)評價等的研究，搭建光學自由曲面形成過程的數(shù)字化仿真平臺；(2)構(gòu)建光學自由曲面加工表面質(zhì)量數(shù)字化評價體系，提供全程智能工藝規(guī)劃與加工過程全景仿真軟件，光學自由曲面虛擬評價模型及數(shù)字化仿真平臺；(3)實現(xiàn)納米尺度材料遷移過程中表層微觀結(jié)構(gòu)在線實時表征，建立系統(tǒng)完善的納觀材料遷移實驗驗證系統(tǒng),形成光學自由曲面成形過程中的被加工材料納觀物化行為規(guī)律；(4)提出典型光學材料的化學機械磨削的工藝過程控制

23、方法和工藝規(guī)范，研制超聲振動輔助磨拋工具，提出合理的磨拋工藝參數(shù)范圍，完成在線物理場加載設(shè)備的研制，實現(xiàn)離子注入單晶脆性材料的自由曲面設(shè)計及加工。預(yù)期目標研究內(nèi)容量之間的影響模型。(6)研究海量測量數(shù)據(jù)建模的數(shù)字化實現(xiàn)方法，測量模型和設(shè)計模型的高精度映射模型；(3)研究基于自由曲面幾何面形和光學特性參數(shù)的加工質(zhì)量綜合評價方法。(5)建立基于自由曲面幾何形狀和功能特性參數(shù)的加工質(zhì)量綜合評價體系。(6)建立完善的光學自由曲面制造完整性綜合評估與控制平臺。一、研究內(nèi)容光學自由曲面制造已成為提升國家經(jīng)濟發(fā)展的重要支撐技術(shù)，結(jié)合國家發(fā)展的重大需求和光學自由曲面制造的發(fā)展趨勢，本項目以光學自由曲面空間構(gòu)建

24、與物理再構(gòu)理論、再構(gòu)過程的多態(tài)量耦合影響機制、納米尺度多物理場材料成形機理、面形原位測量評價及面形可控工藝等關(guān)鍵共性技術(shù)為突破口，本項目圍繞下列三個重要科學問題展開研究：1 .光學自由曲面性能要求與空間表達的映射規(guī)律及物理再構(gòu)光學自由曲面給光學設(shè)計人員提供了很大的設(shè)計自由度，隨著現(xiàn)代光學、生物醫(yī)學、能源、通訊及微電子等領(lǐng)域應(yīng)用需求的不斷提高，新一代結(jié)構(gòu)復雜的光學自由曲面也被紛紛提出。設(shè)計的復雜性和隨意性使其異于已有的傳統(tǒng)光學器件，傳統(tǒng)空間表達方式已很難勝任新型光學自由曲面描述。這種面形的復雜性和高精度要求也給制造過程帶來了眾多工藝難點，同時，帶來了至今仍無完善理論來系統(tǒng)解釋的新現(xiàn)象，對先進制造

25、領(lǐng)域提出了極大的挑戰(zhàn)。需要將機械學與數(shù)學、物理學、化學、計算機圖形學、材料學等領(lǐng)域知識有機地結(jié)合起來，探索光學自由曲面制造中的性能要求和空間表達新規(guī)律，提出適應(yīng)于應(yīng)用需求變化的空間變化新方法，創(chuàng)建物理場復合作用機理以及物理再構(gòu)的新原理和新工藝。主要研究內(nèi)容：光學自由曲面形態(tài)學演變與空間表達新方法光學自由曲面的空間表達是制造過程中首要明確的基礎(chǔ)問題。自由曲面的形狀任意性為空間表達的研究帶來了眾多難題，如自由曲面很難采用精確統(tǒng)一的空間表達策略進行可靠描述，仍無系統(tǒng)完善的自由曲面光學優(yōu)化設(shè)計方法，光學像質(zhì)評價及公差分析過程涉及到大量多目標約束等。重點研究和解決以上關(guān)鍵基礎(chǔ)問題，為光學自由曲面物理再構(gòu)

26、和測量評價補償?shù)忍峁┯辛χ?，主要的研究?nèi)容包括：光學自由曲面空間表達一致性模型及空間特征解析；光學自由曲面空間一致性模型重構(gòu)高階誤差評定與規(guī)避策略；照明系統(tǒng)多參數(shù)約束光學自由曲面高效數(shù)值解構(gòu)及統(tǒng)籌優(yōu)化；成像系統(tǒng)光學性能與空間特征映射基礎(chǔ)理論及像質(zhì)評價體系；光學自由曲面建模與光學特性評價平臺。光學自由曲面成形過程的物理解析及再構(gòu)策略隨著光學自由曲面的精度、效率越來越高，高速、高加速度和變加速度成為加工裝備動態(tài)行為的主要表現(xiàn)形式，裝備的力學特性、熱學特性、以及力、熱耦合特性對加工質(zhì)量和效率產(chǎn)生顯著影響。為最大限度提高自由曲面的面形精度、表面粗糙度等性能指標，研究光學自由曲面加工裝備多體多態(tài)動力學

27、行為與精度穩(wěn)定性的映射規(guī)律、時變工況激勵下控制系統(tǒng)與機械結(jié)構(gòu)耦合動態(tài)特征對加工精度的擾動規(guī)律，提供提高精度穩(wěn)定性的多態(tài)聯(lián)合補償策略和控制參數(shù)與機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化匹配對加工精度的調(diào)控機制。主要研究內(nèi)容包括：幾何/物理/材料（GPM）三元關(guān)聯(lián)約束下光學自由曲面成形的空間構(gòu)型理論；GPM約束下光學自由曲面加工裝備多體多態(tài)動力學行為與精度穩(wěn)定性模型；光學自由曲面分域迭代加工理論與無縫變距軌跡規(guī)劃；時變工況激勵下控制系統(tǒng)與機械機構(gòu)耦合動態(tài)特征表達、對加工精度的擾動規(guī)律與調(diào)控機制；光學自由曲面形成過程的智能仿真與表面質(zhì)量數(shù)字化評價體系。2 .光學自由曲面多場作用成形的材料遷移納觀物化行為與機制由于光學自由曲面

28、加工過程的高速瞬態(tài)過程不宜表征和納米尺度實驗驗證困難，被加工材料的原子級遷移行為尚不明確，成形過程中的界面作用機理也不完善，總之在世界范圍內(nèi)還沒有形成以納米精度為特征的光學自由曲面制造成熟理論。需要研究的核心科學問題是光學自由曲面成形過程中被加工材料的表面物化行為、介觀形變及微觀場效應(yīng)、界面結(jié)構(gòu)性能演化、工件表面及切削介觀尺度機械材料特性、工具磨損機理及其與加工材料之間的微觀力學特性等。主要研究內(nèi)容： 光學自由曲面成形過程中的被加工材料納觀物化行為光學自由曲面成形過程中材料遷移變化在納米量級，由于曲面空間復雜度引入了非均勻及變流向材料遷移特性，產(chǎn)生了異于精密切削的納觀物理和化學行為。需要借助微

29、觀力學、介觀模擬等手段深入分析材料的變形行為、斷裂機制、材料運動學、被加工材料表面及近表面特征等納米加工表面成形的基礎(chǔ)理論問題，并通過表征方法和工具制備實現(xiàn)理論分析驗證，實現(xiàn)該過程中被加工材料納觀物化行為的深入剖析，全面掌握光學自由曲面被加工材料的納觀遷移規(guī)律。主要研究內(nèi)容包括：光學自由曲面非均勻變流向納觀材料遷移理論；光學自由曲面成形過程中材料表層及近表層結(jié)構(gòu)和特性演變機理；納米尺度材料遷移的跨尺度效應(yīng)及動力學分析；納米級刃口微刀具設(shè)計與創(chuàng)成理論；納觀材料遷移機理驗證實驗設(shè)計與理論表征。 光學自由曲面成形過程中的界面作用機理及外場介入調(diào)控納米加工過程中，由于加工工具與被加工對象之間的接觸面積

30、極小，工具承受著很大的切削力和很高的切削溫度，同時還與切屑和加工表面產(chǎn)生劇烈摩擦，造成工具磨損失效。工具一切屑界面處的高溫和摩擦會加劇擴散作用進而改變刀具表面的原始組織和性能，加劇了磨損速率。為增強工具加工（尤其是在硬脆材料加工時）性能和壽命，需深入研究納米尺度加工中工具磨損機理、工具與加工材料之間的微觀力學行為、工具壽命增強機制等關(guān)鍵基礎(chǔ)問題。主要研究內(nèi)容包括：加工工具和加工液與被加工材料之間的相互作用機理；加工工具與加工液的失效形式及性能演變規(guī)律；加工工具與加工液設(shè)計、制備及其性能優(yōu)化；多物理場輔助下納米遷移行為與工具磨損抑制效應(yīng)；離子注入表面改性硬脆材料遷移理論及材料學分析。3 .光學自由曲面制造完整性變異規(guī)律與控制途徑區(qū)別于傳統(tǒng)制造對于完整性的認識，光學自由曲面制造重點面向于應(yīng)用需求，因此，完整性體現(xiàn)于表面質(zhì)量和使用性能兩個方面。表面質(zhì)量包括面形精度和面層質(zhì)量（粗糙度、波紋度等）兩層涵義，而使用性