光学自由面超精密加工软件平台之开发

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1、光学自由面超精密加工软件平台之开发第1章绪论1.1研究背景和意义在航天航空、国防、科学仪器等许多重要的工业领域中，对提高光学系统的性能有着日益增加的需求[1]。在光学系统中采用光学自由曲面，可简化系统的结构，改善系统的光学性能，提高光学设计的柔性[2]。自由曲面光学零件已在越来越多的领域中得到了应用，例如数码摄像镜头、激光打印机扫描仪镜头、背投电视的后反射镜、平面显示器的导光板、车灯的反射镜和灯罩、微光夜视头盔、红外夜视仪、热成像装置等[3]。光学自由曲面零件的设计和制造，在国内外学术界和工业界也受到了越来越多的关注。根据数学上的现行定义，自由曲面是指用离散点描述，且各点之间没有几何约束的一

2、类曲面。自由曲面通常有两种表示方式：其一是有网格的表示，即通过构造结点并利用拟合（插值或逼近）方法进行表示；其二是无网格的表示，即通过基函数展开或逼近的方式进行表示。自由曲面的这种定义强调的是曲面的构造方式，不完全是曲面的形态。但是在光学设计及制造领域，光学自由曲面则是指非回转对称的光学曲面[4]，这类曲面没有对称轴，但可以由方程来描述。相对于传统的光学球面和回转对称的光学非球面，光学自由曲面可获得更多或更大的设计自由度。传统上，光学自由曲面的数学表示主要涉及二次曲面和多项式曲面，如双对称曲面、离轴非球面、以及Zernike多项式曲面。但近年来，光学自由曲面也采用了有网格的NURBS表示、以

3、及无网格的径向基函数表示[5]。必须指出的是，光学自由曲面可以利用NURBS表示或径向基函数表示，但利用NURBS和径向基函数方法获得的曲面不一定就是非回转对称的曲面，显然回转对称的曲面不属于光学自由曲面设计及加工的研究范畴。迄今为止，光学自由曲面的数学表示可归纳如下[6]：1）双对称曲面，例如二次曲面、环曲面、球柱面、双二次曲面等，这类曲面有两个对称轴；2）离轴非球面，例如离轴二次曲面、离轴双二次曲面等，这类曲面主要是对二次曲面（回转对称）和双二次曲面等进行坐标平移从而获得的一个非回转对称曲面；3）基函数曲面，例如Gaussian曲面、Zernike曲面等，这类曲面主要涉及根据正交基函数（

4、例如zernike多项式、小波基函数等）的曲面展开以及根据非正交基函数（例如高斯型径向基函数）的曲面逼近等；4）混合基函数曲面，这类曲面主要是指在回转对称的二次曲面上叠加回转不对称的扰动项，其中回转不对称的扰动项则是通过基函数展开或逼近进行表示；5）样条曲面，例如均匀B样条曲面、非均匀有理B样条曲面（NURBS）等，实际上样条函数也是一类基函数，这类曲面的关键在于如何构造曲面的结点。通常，光学设计主要是考虑光学功能要求和光学性能要求。对于大多数光学设计人员，缺乏对光学自由曲面的认识，将自由曲面光学设计看作是十分困难、十分昂贵的事情。尽管在CodeV和Zemax等著名的商业型光学设计软件中，已

5、嵌入了一些光学自由曲面的设计模块，但是如何获得光学自由曲面加工的最佳解决方案以及如何进行光学自由曲面的可加工性评价依然是没有得到妥善解决的问题。为了获得光学自由曲面加工的最佳解决方案，主要涉及最佳刀具路径规划、刀具轨迹插补、加工误差评价、加工误差补偿等问题。为了进行光学自由曲面的可加工性评价，主要涉及超精密机床运动轴的往复运动能力评价、超精密机床的工作精度对加工误差的影响评价、加工误差对光学性能的影响评价等问题。这些问题的解决，仅仅依赖现场光学加工工艺人员的知识和经验是远远不够的[7]。因此，本论文致力于研发一种光学自由曲面加工软件，以获得光学自由曲面加工的最佳解决方案、并提供光学自由曲面的

6、可加工性评价的能力。1.2国内外研究状态及发展趋势1.2.1光学自由曲面加工软件的研发国内外已有一些学者和研发机构在关注光学自由曲面加工软件的研发[8]，其中比较有影响的主要有英国FC多文档/视图(MDI)结构。在MDI结构中，可以正确的同步文档对应的视图，根据文档类型自动切换主框架菜单，智能更新软件状态[27]。这些优点为软件的开发带来了方便。为了支撑上面所述的软件主体功能，还要对软件进行逻辑模块的设计。顾名思义，逻辑模块就是程序进行逻辑处理的模块。在程序的整个运行过程中，逻辑模块支撑着程序的数据管理工作，包括文档管理模块、数据存储模块、数据计算模块、图形显示模块、人机交互模块。故软件的整

7、体结构如图2.1所示。在软件的运行过程中，光学自由曲面的加工过程是作为一个加工任务体现在软件结构中的。一个加工任务下面包含若干个子任务，每个子任务分别对应于一个功能模块，每个功能模块分别对应于一个文档和一个视图。如图2.2所示。2.2软件的功能模块设计（1）光学自由曲面的设计光学自由曲面的设计实际上是光学零件设计的一部分。首先需要对光学零件进行建模，再将零件的待加工表面或已加工表面定义为需要进行加工分析的自由