光学自由曲面制造的基础研究.doc

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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50º－60º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PV<10um，表面粗糙度Ra<8nm；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<150mm，单元尺寸≤1mm，单元数量>50个，面形精度PV<8um，表面粗糙度Ra<10nm；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；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10～20项；组织高水平的国际会议2~3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，包括国际前沿学术带头人1～2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（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、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轴三反系统的设计；（2）建立以光学自由曲面的逐次迭代去除模型，形成光学自由曲面的分域迭代加工理论体系；（3）建立光学自由曲面成形过程中材料表层光学特性及力学特性演变理论，纳观尺度下光学自由曲面非均匀变流向加工仿真及分析；（4）建立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机理模型，确定金刚石刀具的磨损及引起工具性能演变的主要影响因素；建立超精密车床离子注入硅片单点金刚石切削关键技术；（5）建立高效被动原位测量基础理论、原位测量系统集成中的系统误差模型及补偿理论；（6）建立海量数据高效分隔及重构理论方法，提出海量数据的高效无形变缩减方法。 第四年（1）研究基于自由曲面的照明系统设计，研究照明系统接受面照度分布及入射点方向与光学表面设计参数的直接映射规律，快速有效的建立多参数约束的自由曲面的数值表达式；（2）研究光学自由曲面时变工况激励下加工精度保证体系、时变工况激励下控制系统与机械结构耦合动态特征表达方法及对加工精度的扰动规律、基于耦合动态特征的控制参数与机械结构逆向优化匹配；（3）对纳米去除材料的表面/亚表面裂纹进行检测分析，研究探索加工区域的温度场分布及其对加工表面质量的影响规律，分析微纳尺度内裂纹核扩展的临界应变能与临界加工量的映射关系；（4）实验研究化学机械磨削砂轮的磨损特性及其对加工的影响，研究超声振动辅助磨抛加工机理、纳观成型中多物理场加载抑制单晶金刚石刀具磨损的机理模型，进行离子注入材料的纳米切削分子动力学仿真；（5）研究测量系统与加工装备的坐标一致性策略、原位测量系统在加工装配中的PMAC数控与反馈策略；（6）研究自由曲面测量数据的高效稳健滤波算法、研究自由曲面表面质量数据与面形数据的分离及解析方法，确立测量数据的面形误差分布规律，进行实际的再构及补偿实验研究。（1）建立离轴三反望远光学实验系统，建立照明系统接受面照度分布及入射点方向与光学表面设计参数的直接映射规律；（2）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，提供时变工况激励下控制系统与机械结构耦合对加工精度影响规律；完成控制参数的优化匹配以及加工精度的调控机制；（3）实现纳观尺度下光学自由曲面非均匀变流向加工仿真及分析，建立光学自由曲面成形过程中材料表层特性演变机理，揭示沿不同晶向的裂纹形式、分布规律和扩展机制等；建立控制纳米尺度裂纹扩展的临界条件；（4）建立黑色金属切削中金刚石刀具磨损量预测模型，提出抑制刀具磨损的措施；建立超声振动辅助磨抛加工机理、外加物理场抑制刀具磨损的机理、离子注入表面改性完整理论模型；（5）建立原位测量系统高效可控的装配定位理论和调控方法、高效、无干涉的原位测量系统数控理论，实现原位测量系统在加工装备中的高精度定位和高效数控与反馈。（6）建立光学自由曲面测量数据面形误差高效分离理论方法、建立光学自由曲面补偿再构的轨迹再规划方法，完成光学自由曲面面形质量控制再构。 第五年（1）基于自由曲面的成像系统光学设计方法及其像质评价体系的研究；（2）研究光学自由曲面分域迭代去除模型的数字化模型及加工装备多体多态动力学模型建立方法，时变工况激励下控制系统与机械机构耦合动态特征对加工精度影响规律的数字化描述；（3）探索新的微纳观表层晶相在线检测方法，采用纳米级刃口半径的金刚石微刀具，建立连续变深材料迁移实验验证方法；（4）进行典型光学材料的化学机械磨削、磨抛工具设计和超声振动辅助磨抛、黑色金属（光学元件模具材料）的切削工艺实验；研究适用于超精密车床的在线物理场加载设备，注入后材料对光学性能的影响和抑制效应；（5）研究光学自由曲面模拟加工仿真模型，针对典型光学自由曲面器件，建立其光学特性参数和几何误差量之间的影响模型。（6）研究海量测量数据建模的数字化实现方法，测量模型和设计模型的高精度映射模型；（3）研究基于自由曲面几何面形和光学特性参数的加工质量综合评价方法。（1）完成自由曲面为微透镜阵列的设计方法、像质评价等的研究，搭建光学自由曲面形成过程的数字化仿真平台；（2）构建光学自由曲面加工表面质量数字化评价体系，提供全程智能工艺规划与加工过程全景仿真软件，光学自由曲面虚拟评价模型及数字化仿真平台；（3）实现纳米尺度材料迁移过程中表层微观结构在线实时表征，建立系统完善的纳观材料迁移实验验证系统，形成光学自由曲面成形过程中的被加工材料纳观物化行为规律；（4）提出典型光学材料的化学机械磨削的工艺过程控制方法和工艺规范，研制超声振动辅助磨抛工具，提出合理的磨抛工艺参数范围，完成在线物理场加载设备的研制，实现离子注入单晶脆性材料的自由曲面设计及加工。（5）建立基于自由曲面几何形状和功能特性参数的加工质量综合评价体系。（6）建立完善的光学自由曲面制造完整性综合评估与控制平台。 一、研究内容光学自由曲面制造已成为提升国家经济发展的重要支撑技术，结合国家发展的重大需求和光学自由曲面制造的发展趋势，本项目以光学自由曲面空间构建与物理再构理论、再构过程的多态量耦合影响机制、纳米尺度多物理场材料成形机理、面形原位测量评价及面形可控工艺等关键共性技术为突破口，本项目围绕下列三个重要科学问题展开研究：1.光学自由曲面性能要求与空间表达的映射规律及物理再构光学自由曲面给光学设计人员提供了很大的设计自由度，随着现代光学、生物医学、能源、通讯及微电子等领域应用需求的不断提高，新一代结构复杂的光学自由曲面也被纷纷提出。设计的复杂性和随意性使其异于已有的传统光学器件，传统空间表达方式已很难胜任新型光学自由曲面描述。这种面形的复杂性和高精度要求也给制造过程带来了众多工艺难点，同时，带来了至今仍无完善理论来系统解释的新现象，对先进制造领域提出了极大的挑战。需要将机械学与数学、物理学、化学、计算机图形学、材料学等领域知识有机地结合起来，探索光学自由曲面制造中的性能要求和空间表达新规律，提出适应于应用需求变化的空间变化新方法，创建物理场复合作用机理以及物理再构的新原理和新工艺。主要研究内容：①光学自由曲面形态学演变与空间表达新方法光学自由曲面的空间表达是制造过程中首要明确的基础问题。自由曲面的形状任意性为空间表达的研究带来了众多难题，如自由曲面很难采用精确统一的空间表达策略进行可靠描述，仍无系统完善的自由曲面光学优化设计方法，光学像质评价及公差分析过程涉及到大量多目标约束等。重点研究和解决以上关键基础问题，为光学自由曲面物理再构和测量评价补偿等提供有力支撑，主要的研究内容包括：光学自由曲面空间表达一致性模型及空间特征解析；光学自由曲面空间一致性模型重构高阶误差评定与规避策略；照明系统多参数约束光学自由曲面高效数值解构及统筹优化； 成像系统光学性能与空间特征映射基础理论及像质评价体系；光学自由曲面建模与光学特性评价平台。②光学自由曲面成形过程的物理解析及再构策略随着光学自由曲面的精度、效率越来越高，高速、高加速度和变加速度成为加工装备动态行为的主要表现形式，装备的力学特性、热学特性、以及力、热耦合特性对加工质量和效率产生显著影响。为最大限度提高自由曲面的面形精度、表面粗糙度等性能指标，研究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，提供提高精度稳定性的多态联合补偿策略和控制参数与机械结构的优化匹配对加工精度的调控机制。主要研究内容包括：几何/物理/材料（GPM）三元关联约束下光学自由曲面成形的空间构型理论；GPM约束下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模型；光学自由曲面分域迭代加工理论与无缝变距轨迹规划；时变工况激励下控制系统与机械机构耦合动态特征表达、对加工精度的扰动规律与调控机制；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。2.光学自由曲面多场作用成形的材料迁移纳观物化行为与机制由于光学自由曲面加工过程的高速瞬态过程不宜表征和纳米尺度实验验证困难，被加工材料的原子级迁移行为尚不明确，成形过程中的界面作用机理也不完善，总之在世界范围内还没有形成以纳米精度为特征的光学自由曲面制造成熟理论。需要研究的核心科学问题是光学自由曲面成形过程中被加工材料的表面物化行为、介观形变及微观场效应、界面结构性能演化、工件表面及切削介观尺度机械材料特性、工具磨损机理及其与加工材料之间的微观力学特性等。主要研究内容：①光学自由曲面成形过程中的被加工材料纳观物化行为光学自由曲面成形过程中材料迁移变化在纳米量级，由于 曲面空间复杂度引入了非均匀及变流向材料迁移特性，产生了异于精密切削的纳观物理和化学行为。需要借助微观力学、介观模拟等手段深入分析材料的变形行为、断裂机制、材料运动学、被加工材料表面及近表面特征等纳米加工表面成形的基础理论问题，并通过表征方法和工具制备实现理论分析验证，实现该过程中被加工材料纳观物化行为的深入剖析，全面掌握光学自由曲面被加工材料的纳观迁移规律。主要研究内容包括：光学自由曲面非均匀变流向纳观材料迁移理论；光学自由曲面成形过程中材料表层及近表层结构和特性演变机理；纳米尺度材料迁移的跨尺度效应及动力学分析；纳米级刃口微刀具设计与创成理论；纳观材料迁移机理验证实验设计与理论表征。②光学自由曲面成形过程中的界面作用机理及外场介入调控纳米加工过程中，由于加工工具与被加工对象之间的接触面积极小，工具承受着很大的切削力和很高的切削温度，同时还与切屑和加工表面产生剧烈摩擦，造成工具磨损失效。工具—切屑界面处的高温和摩擦会加剧扩散作用进而改变刀具表面的原始组织和性能，加剧了磨损速率。为增强工具加工（尤其是在硬脆材料加工时）性能和寿命，需深入研究纳米尺度加工中工具磨损机理、工具与加工材料之间的微观力学行为、工具寿命增强机制等关键基础问题。主要研究内容包括：加工工具和加工液与被加工材料之间的相互作用机理；加工工具与加工液的失效形式及性能演变规律；加工工具与加工液设计、制备及其性能优化；多物理场辅助下纳米迁移行为与工具磨损抑制效应；离子注入表面改性硬脆材料迁移理论及材料学分析。3.光学自由曲面制造完整性变异规律与控制途径区别于传统制造对于完整性的认识，光学自由曲面制造重点面向于应用需求，因此，完整性体现于表面质量和使用性能两个方面。表面质量包括面形精度和面层质量（粗糙度、波纹度等）两层涵义，而使用性能与表面质量存在有机的联系。 物理再构过程中的装备部件的动力学行为、被加工材料迁移行为、制造工具磨损行为等都直接影响曲面完整性的变异行为，需要借助精密测量技术进行有限循环调整实现表面质量的可控成形，进而实现应用质量的可控性。为研究循环调整过程中的完整性变异和控制规律，需重点解决测量系统设计开发、测量系统误差溯源、完整性评价方法、完整性变异控制策略等基础理论问题，以提高光学自由曲面表面质量。主要研究内容：①光学自由曲面制造完整性的测量系统与评价方法光学自由曲面制造完整性测量重点在于表面质量的测量，使用性能可以借助与表面质量之间的内在联系进行间接评价。随着加工技术向纳米级精度发展，测量技术也在向着更高精度方向发展，以适应其对测量精度的要求，就要求更深一步地探究测量方法和系统的误差源。原位测量系统集成于加工装备的线性或旋转轴系，通过特定测量轨迹实现大曲率变化自由曲面的大范围测量。为了保证制造过程的完整原位化，需进一步实现面形精度和面层质量多功能集成化测量，且需在提高装配精度、对准精度及控制精度等方面深入展开研究。主要研究内容包括：光学自由曲面使用性能与表面质量映射规律和综合评价体系；气载激光干涉传感接触式测头的测量误差溯源及原位系统研究；多功能集成化柔性光学测头设计及原位测量关键基础理论；多几何量大量程原位测量快速获取与高精度高稳定性系统设计理论；加工装备中的原位测量系统装配定位及数控与反馈策略。②光学自由曲面制造完整性的变异控制与实现光学自由曲面制造完整性参数需借助原位测量系统进行被测量获取，然后进行设计曲面和测量数据的精准比对，最终得以解析实现。准确获取光学自由曲面制造完整性参数实现循环调整过程中进行变异控制的重要前提。由于自由曲面形状的任意性和几何形态的复杂性，国际上还没有通用的表面质量参数提取与分离标准方法，成为影响光学自由曲面制造完整性实现的重要因素。本课题重点进行自由曲面面形测量、表面质量参数解析和分析等关键基础研究，为循环调整过程提供精准的变异量分布规律，通过完整性的变异控制及调整策略 规划实现完整性精确控制。主要研究内容包括：基于曲面特征解析与再构轨迹约束的多分辨率测量轨迹规划；基于主特征线的数据分隔与无变形缩减相结合的海量测量数据建模；物理粗匹配与算法精匹配相结合的快速高精度模型匹配技术；高效稳健数据滤波、误差余量分配模型及补偿轨迹再规划策略；光学自由曲面制造完整性综合评估与控制平台。