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1、项目名称：光学自由曲面制造的基础研究首席科学家：房丰洲 天津大学起止年限：2011.1至2015.8依托部门：教育部 天津市科委二、预期目标（1）总体目标针对国家发展的重大需求对光学自由曲面制造技术的要求，深入研究并解决光学自由曲面制造中的重大关键基础科学问题，揭示自由曲面成型过程中纳观尺度材料迁移新理论，掌握和研究光学自由曲面高效、纳米级精度加工工艺技术及装备的共性基础问题，发展具有自主知识产权、具有国际先进水平的高精度、可控面形的光学自由曲面加工技术，培育我国光学自由曲面加工领域在国际上具有重要影响的学术带头人和创新团队，推动我国制造技术基础理论研究，确立在光学自由曲面制造领域国际竞争中的
2、优势地位，增强光学自由曲面核心关键器件自主创新能力，并将光学自由曲面制造理论向更多领域纵深发展，推动我国科技进步。（2）五年预期目标在理论研究方面：解决光学自由曲面制造中的关键科学问题，为实现高精度、高效率和高可靠性的光学自由曲面制造技术与装备提供理论基础，跻身于国际制造科学研究领域的前沿。 揭示光学自由曲面加工装备多体多态动力学行为与精度稳定性的映射规律、时变工况激励下控制系统与机械结构耦合动态特征对加工精度的扰动规律，建立几何/物理/材料关联约束条件下光学自由曲面的空间机构构型创新设计与优化理论； 揭示光学自由曲面非均匀变流向纳观材料迁移规律，建立曲面成形过程中跨尺度材料特性演变、表层及近
3、表层材料结构变化等基础理论； 揭示光学自由曲面物理再构过程中加工工具在力、热和化学等多场耦合环境下与加工材料之间相互作用和微观力学行为，建立加工工具的失效形式及其加工性能的演变理论； 揭示多物理场辅助下纳米切削行为、离子注入表面改性后的硬脆材料切削规律，建立工具磨损抑制及材料学分析测试理论。在技术应用方面：通过本项目研究，在若干关键技术上取得源头创新成果，提升我国光学自由曲面制造装备及关键应用零部件的制造水平。 设计光学自由曲面离轴三反望远光学系统，并完成系统中自由曲面器件的制造和装配，系统视场角达到50 60 以上，成像质量接近衍射极限，同时解决子午与弧矢面间放大倍率的不一致问题； 实现光学
4、晶体复眼结构器件（材料为ZnS/ZnSe）的设计及加工，具体技术指标为：单元尺寸10mm，单元数量40个，整体尺寸150mm，面形精度PV10um，表面粗糙度Ra8nm；实现下一代IC装备SMO光源系统中核心光学自由曲面非球面微透镜阵列（材料为光学玻璃/塑料）的设计及加工，具体技术指标为：透镜口径50个，面形精度PV8um，表面粗糙度Ra10nm； 突破纳米级刃口微刀具创成技术难题，实现纳观材料迁移机理验证，完成圆弧、直线、锯齿、尖角等典型刃口半径在30nm以下微刀具； 突破加工工具磨损抑制技术难点，为光学自由曲面加工提供先进工具和加工液，建立多物理场辅助切削在线实验装置和材料学分析测试平台；
5、 突破原位测量系统设计和装配技术难题，建立激光干涉接触式探针测量和多功能集成柔性光学式原位测量系统，量程为150mm，测量分辨率达20nm，测量精度0.3um，实现光学自由曲面的测量、分析和质量控制； 构建光学自由曲面建模与光学特性评价平台、加工质量综合评估与控制平台，建立光学自由曲面形成过程的智能仿真与表面质量数字化评价体系，实现零部件的高效制造与性能定量预测。在论文与人才培养方面：本项目研究过程中，拟发表论文200-240篇，其中三大检索收录论文占80%，申请专利1020项；组织高水平的国际会议23次；形成具有重要国际影响的光学自由曲面制造技术研究队伍；涌现出一批优秀中青年人才，包括国际前
6、沿学术带头人12人；培养博士生、硕士生50-80人。三、研究方案光学自由曲面制造的关键技术中提炼出共性科学问题，分别从曲面建构、物理再构和精度改善三方面进行研究。在研究方法上，通过理论与实验的紧密结合，将理论研究、技术开发和应用示范相结合，揭示材料在纳米尺度下相互作用的规律，建立光学自由曲面制造理论基础和关键技术平台，其成果适合应用于其他重大需求领域。曲面建构：分析光学自由曲面的应用要求，借助光学理论将要求指标化，转换为具体的光学性能参数。依据应用范围分为非成像和成像光学器件，结合计算机图形学进行光学性能参数和空间表达映射理论的分析。针对非成像光学器件，利用非成像光学理论中的光学扩展量守恒定律
7、和边缘光线原理，借助微分几何理论确定光学性能和空间表达的离散型映射模型；针对成像光学系统，建立自由曲面的直接光线追迹模型，综合多目标评价函数进行模型参数的最优化求解。采用NURBS重构方法建构曲面型映射模型，重点考虑表达方式的一致性、高阶误差评定、空间特征解析等理论，进行空间表达的高精度建构、转型和特征解析。结合以上研究成果和具体应用实例，建立光学自由曲面建模和光学特性评价体系及平台。物理再构：建立几何/物理/材料（GPM）三元关联约束的多维集成光学自由曲面制造装备结构设计与开发理论，建立光学自由曲面加工精度关于加工装备多体多态动力学行为的反推演模型，研究提高精度稳定性的多态联合补偿策略。基于
8、光学自由曲面空间表达和空间特征解析理论，结合物理再构的运动学机制，实现加工区域划分策略和变行距轨迹及无缝衔接轨迹规划，并分析工具干涉检验与防干涉运动策略。提取耦合动态特征对加工精度的扰动规律，建立基于耦合动态特征的控制参数与机械结构逆向优化匹配理论，研究控制参数的优化匹配对加工精度的调控机制。综合以上研究成果及工艺试验结果，建立光学自由曲面智能成型仿真与表面质量数字化评价体系。精度改善：该方面是本项目的研究重点之一，光学自由曲面的精度改善体现在表面质量和面形精度两个方面。在表面质量的改善方面，重点依赖对纳观材料迁移行为和界面作用机理的透彻解析。利用第一性原理和基于密度泛函平面波赝势方法，建立不
9、同材料原子间的相互作用势能函数，进行纳米尺度材料迁移的分子动力学模拟，并通过桥尺度函数与利用连续域的离散单元方法的宏观模型仿真联合，获取成形过程中的宏观和微观物理信息，建立纳观非均匀变流向材料迁移理论。利用现代摩擦学的理论与方法，进行纳观尺度的工具磨损机理的研究，分析多场耦合环境中加工工具与加工材料相互作用与微观力学行为，提出采用基于固结磨料化学机械磨削原理的光学自由曲面超精密加工新方法，利用加工过程中化学和机械复合作用实现高精度高表面质量表面的加工。针对常用的硬脆性材料，采用多物理场辅助与离子注入表面改性技术，进行工具磨损抑制效应分析。利用聚焦离子束进行纳米刃口工具的制备，完全符合模拟过程中
10、的工具尺度，并采用锥面成形途径实现纳观材料迁移行为的分析验证。同时辅以各种显微结构表征手段（如原子力显微镜、显微拉曼光谱分析等）对材料成形过程中表面/近表面微观结构的影响规律进行检测和观察。原位测量系统的应用和补偿技术的开发是面形精度提高的重要手段。利用激光干涉传感和激光共聚焦传感技术实现原位系统开发，建立测量方法及系统装配的精度模型，提高大量程原位测量系统的精度和稳定性，搭建光学自由曲面质量综合评估与控制平台，实现面形精度的评价和补偿。以上立体布局使本项目研究方向构成一个整体，各研究方向较强的有机联系，有助于课题间交叉联合和项目持续推进，使研究向纵深发展。四、年度计划研究内容预期目标第一年（
11、1）研究光学精度下自由曲面面形重构技术，建立在设计和制造中具有一致性的光学自由曲面空间表达模型，开展离轴三反光学成像系统的设计研究；（2）研究GPM约束的多维集成方法，及光学自由曲面形成的空间机构构型设计及空间优化；（3）研究材料内部势函数建立、分子动力学方法仿真及实验、光学材料表层晶态演变；（4）进行化学机械磨削砂轮的组织设计和制造工艺研究，研究脆性材料超精密加工技术及离子注入表面改性技术的理论；（5）进行气载激光干涉传感接触式测量系统设计，系统误差分析及精度验证；（6）研究测量控制点与再构控制点一致性模型及精度实验，基于曲面特征的多分辨率测量路径规划及实验。（1）建立自由曲面统一的描述体系
12、及高精度误差评定方法；（2）建立光学自由曲面三元关联约束下多维集成，及空间构型理论和优化理论；（3）提出基于纳米量级去除的以推挤为主因的加工机理及材料表层结构演变机理，建立Ge材料势能函数，组建聚焦离子束制备高微刀具的多自由度制造平台；（4）建立化学机械磨削实验台，设计金刚石-黑色金属摩擦化学反应机理试验装置、超声振动辅助磨抛加工试验试验装置、电磁场加载试验装置；（5）建立气载激光干涉传感接触式测量实验平台及测量理论；（6）建立再构轨迹约束的测量轨迹规划理论及多分辨率测量轨迹规划理论。第二年（1）研究照明系统接收面照度分布及入射点光强与光学表面设计参数的直接映射规律，多参数约束下（照明均匀性、
13、照明区域形状、照明光线角度等）自由曲面的最优解；（2）研究GPM约束光学自由曲面加工装备单元部件、结合面及整机多刚体/多柔体静、动、热态行为，及多体多态耦合动力学性能参数与加工精度映射规律与调控机制；（3）研究离散单元法的纳观迁移仿真方法、材料及工具之间势能函数建立及修正，进行聚焦离子束微刀具设计、仿真及工艺研究；（4）研究化学机械磨削中砂轮与工件界面中固相反应主要影响因素、超硬光学材料加工表面/亚表面完整性以及加工工具性能微观检测和评价方法，进行材料学分析测试；（5）研究基于激光测量及视觉检测原理的光学式集成测量系统设计及高精度标定，进行柔性改造及柔性控制测量实验；（6）研究物理标记点综合再
14、构和测量路径规划方法及LM-ICP精匹配方法，进行加工及测量实验进行精度验证和分析。（1）初步完成基于自由去面光学元件的大视场离轴三反系统的设计，照明系统多参数约束光学自由曲面设计方法，建立照明系统光学性能与空间特征映射模型；（2）建立光学自由曲面加工精度关于加工装备多体多态动力学行为的反推演模型，完成提高精度稳定性的多态联合补偿机制；（3）建立工件材料与工具作用势能函数，实现微刀具结构设计、制备工艺优化；（4）建立超硬光学材料加工表面/亚表面完整性以及加工工具性能微观检测和评价体系，确定化学机械磨削中砂轮与工件界面中固相反应及金刚石-黑色金属摩擦化学反应的主要影响因素，建立激光诱导改善切削性
15、能试验装置；（5）建立多功能集成化柔性光学测量实验平台及光学式原位测量的关键基础理论；（6）建立基于物理标记点的自由曲面模型粗匹配理论，基于曲面局部特征的自由曲面模型精匹配理论。第三年（1）研究基于自由曲面成像系统光学性能与空间特征映射基础理论、设计方法及像质评价体系，研究面形参数对像质评价的扰动效应；（2）研究自由曲面区域划分、曲率时变性特征及其相关性，研究干涉检验与运动控制策略、变行距轨迹生成与不同区域轨迹的无缝衔接方法；（3）研究多尺度方法复合分析的纳观仿真方法，非均匀变流向成型中材料的变形行为，研究纳米尺度的晶格畸变与缺陷、材料塑性与断裂行为，对于光学自由曲面材料功能特性的影响；（4）实验研究化学机械磨削中砂轮与工件界面中的物理化学行为及其耦合作用、黑色金属切削中金刚石刀具的磨损规律；实验研究低功率超快飞秒脉冲激光作用下材料纳观性能演变规律、离子注入硅片切削及相关试验分析；（5）实验研究高效被动测量方法、研究原位测量系统在原位集成中的系统误差溯源、加工表面细节增强及特征提取技术；（6）研究基于海量数据模型主特征线提取的海量数据分隔及重构、分隔数据的无变形缩减建模方法。（1）建立单独自由曲面或混合光学系统的像差、MTF等光学模型，评估光学自由曲面光学元件的容差要求，完成基于自由去面光学元件的大视场离
