項目名稱： 光學(xué)自由曲面制造的基礎(chǔ)研究 首席科學(xué)家： 房豐洲 天津大學(xué) 起止年限： 托部門： 教育部 天津市科委 二、預(yù)期目標(biāo) （ 1）總體目標(biāo) 針對國家發(fā)展的重大需求對光學(xué)自由曲面制造技術(shù)的要求， 深入研究并解決光學(xué)自由曲面制造中的重大關(guān)鍵基礎(chǔ)科學(xué)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(xué)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(jìn)水平的高精度、可控面形的 光學(xué)自由曲面加工 技術(shù)，培育我國 光學(xué)自由曲面加工領(lǐng)域在國際上具有重要影響的學(xué)術(shù)帶頭人和創(chuàng)新團(tuán)隊，推動我國 制造技術(shù) 基礎(chǔ)理論研究，確立在光學(xué)自由曲面制造領(lǐng)域國際競爭中的優(yōu)勢地位， 增強(qiáng)光學(xué)自由曲面核心關(guān)鍵器件自主創(chuàng)新能力， 并將光學(xué)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(jìn)步。 （ 2）五年預(yù)期目標(biāo) 在理論研究方面： 解決光學(xué)自由曲面制造中的關(guān)鍵科學(xué)問題，為實現(xiàn)高精度、高效率和高可靠性 的光學(xué)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(xué)研究領(lǐng)域的前沿。 揭示光學(xué)自由曲面加工裝備多體多態(tài)動力學(xué)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(jī)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(xué)自由曲面的空間機(jī)構(gòu)構(gòu)型創(chuàng)新設(shè)計與優(yōu)化理論； 揭示光學(xué)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 表層材料結(jié)構(gòu)變化等基礎(chǔ)理論； 揭示光學(xué)自由曲面物理再構(gòu)過程中加工工具在力、熱和化學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué) 自由曲面 離軸三反 望遠(yuǎn)光學(xué)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(dá)到 50 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(xué)晶體復(fù)眼結(jié)構(gòu)器件（材料為 設(shè)計及加工，具體技術(shù)指標(biāo)為：單元尺寸 10元數(shù)量 40 個，整體尺寸 50 個 ，面形精度 面粗糙度 0 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(jī)理驗證， 完成圓弧、直線、鋸齒、尖角等典型 刃口半徑在 30下 微刀具 ； 突破加工工具磨損抑制技術(shù)難點，為光學(xué)自由曲面加工提供先進(jìn)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(xué)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(xué)式原位測量系統(tǒng)， 量程為 150測量分辨率達(dá)20量精度 實現(xiàn)光學(xué)自由曲面 的測量、分析和質(zhì)量控制 ； 構(gòu)建光學(xué)自由曲面建模與光學(xué)特性評價平臺、 加工質(zhì)量綜合評估與控制平臺 ，建立 光學(xué)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，其中 三大檢索 收錄論文 占 80%，申請專利 10 20 項；組織高水平的國際會議 23 次；形成具有重要國際影響的光學(xué)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(xué)術(shù)帶頭人 1 2 人；培養(yǎng)博士生、碩士生 50。 三、研究方案 光學(xué)自由曲面制造的關(guān)鍵技術(shù)中提煉出共性科學(xué)問題，分別從曲面建構(gòu)、物理再構(gòu)和精度改善三方面進(jìn)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(xué)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(xué)自由曲面的應(yīng)用要求，借助光學(xué)理論將要求指標(biāo)化，轉(zhuǎn)換為具體的光學(xué)性能參數(shù)。依 據(jù)應(yīng)用范圍分為非成像和成像光學(xué)器件， 結(jié)合計算機(jī)圖形學(xué) 進(jìn)行光學(xué)性能參數(shù)和空間表達(dá)映射理論的分析。針對非成像光學(xué)器件，利用非成像光學(xué)理論中的光學(xué)擴(kuò)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(xué)性能和空間表達(dá)的離散型映射模型；針對成像光學(xué)系統(tǒng)，建立自由曲面的直接光線追跡模型，綜合多目標(biāo)評價函數(shù)進(jìn)行模型參數(shù)的最優(yōu)化求解。采用構(gòu)方法建構(gòu)曲面型映射模型，重點考慮表達(dá)方式的一致性、高階誤差評定、空間特征解析等理論，進(jìn)行空間表達(dá)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(xué)自由曲面 建模和光學(xué)特性評價體系及平臺。 物理再構(gòu)： 建立幾何 /物理 /材料（ 元關(guān)聯(lián)約束的多維集成光學(xué)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(xué)自由曲面加工精度關(guān)于加工裝備多體多態(tài)動力學(xué)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(bǔ)償策略。 基于 光學(xué)自由曲面空間表達(dá)和空間特征解析理論，結(jié)合物理再構(gòu)的運(yùn)動學(xué)機(jī)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(yùn)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(jī)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(jī)制。綜合以上研究成果及工藝試驗結(jié)果，建立光學(xué)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(xué)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 觀材料遷移行為 和 界面作用機(jī)理 的透徹解析。 利用第一性原理和基于密度泛函平面波贗勢方法，建立不同材料原子間的相互作用勢能函數(shù)，進(jìn)行 納米尺度材料遷移 的分子動力學(xué)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(xué)的理論與方法，進(jìn)行納 觀尺度的 工具磨損機(jī)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(xué)行為 ，提出采用基于固結(jié)磨料化學(xué)機(jī)械磨削原理的光學(xué)自由曲面超精密加工新方法，利用加工過程中化學(xué)和機(jī)械復(fù)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)，進(jìn)行工具磨損抑制效應(yīng)分析。利用聚焦離子束進(jìn)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(jìn)行檢測和觀察。原 位測量系統(tǒng)的應(yīng)用和補(bǔ)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(xué)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(bǔ)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(qiáng)的有機(jī)聯(lián)系 ，有助于課題間交叉聯(lián)合和項目持續(xù)推進(jìn)，使研究向縱深 發(fā)展。 四、年度計劃 研究內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 第 一 年 （ 1）研究光學(xué)精度下自由曲面面形重構(gòu)技術(shù)，建立在 設(shè)計和制造 中具有一致性的光學(xué)自由曲面空間表達(dá)模型 ， 開展離軸三反光學(xué)成像系統(tǒng)的設(shè)計研究 ； （ 2）研究 束的多維集成 方法，及 光學(xué)自由曲面形成的空間機(jī)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(xué)方法仿真及實驗、 光學(xué)材料表層晶態(tài)演變 ； （ 4）進(jìn)行化學(xué)機(jī)械磨削砂輪的組織設(shè)計和制造工藝研究，研究脆性材料超精密加工技術(shù)及離子注入表面改性技術(shù)的理論； （ 5）進(jìn)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)控制點一致性模型及精度實驗， 基于曲面特征的多分辨率測量路徑 規(guī)劃及實驗。 （ 1）建立 自由曲面統(tǒng)一的描述體系及 高精度誤差評定方法 ； （ 2）建立光學(xué)自由曲面 三元關(guān)聯(lián)約束下 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(jī)理 及 材料表層結(jié)構(gòu)演變機(jī)理 ，建立 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(xué)機(jī)械磨削實驗臺，設(shè)計金剛石 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)劃理論。 研究內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 第 二 年 （ 1） 研究照明系統(tǒng)接 收 面照度分布及入射點光強(qiáng)與光學(xué)表面設(shè)計參數(shù)的直接映射規(guī)律 ， 多 參數(shù)約束下（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 束光學(xué)自由曲面加工裝備單元部件、結(jié)合面 及整機(jī) 多剛體 /多柔體靜、動 、 熱態(tài) 行為，及多體多態(tài)耦合動力學(xué)性能參數(shù)與加工精度映射規(guī)律 與調(diào)控機(jī)制； （ 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(jìn)行 聚焦離子束 微刀具設(shè)計、仿真及工藝研究； （ 4）研究化學(xué)機(jī)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(xué)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(jìn)行材料學(xué)分析測試； （ 5）研究基于激光測量及視覺檢測原理的光學(xué)式集成測量系統(tǒng)設(shè)計及高精度標(biāo)定，進(jìn)行柔性改造及柔性控制測量實驗； （ 6）研究物理標(biāo)記點綜合再構(gòu)和測量路徑規(guī)劃方法及 匹配方法，進(jìn)行加工及測量實驗進(jìn)行精度驗證和分析。 （ 1） 初步完成基于自由去面光學(xué)元件的大視場離軸三反系統(tǒng)的設(shè)計 ， 照明系統(tǒng)多參數(shù)約束光學(xué) 自由曲面 設(shè)計方法， 建立照明系統(tǒng)光學(xué)性能與空間特征映射 模型； （ 2） 建立光學(xué)自由曲面加工精度關(guān)于加工裝備多體多態(tài)動力學(xué)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(bǔ)償 機(jī)制； （ 3）建立工件材料與工具作用勢能函數(shù)，實現(xiàn)微刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計、制備工藝優(yōu)化； （ 4）建立超硬光學(xué)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系，確定化學(xué)機(jī)械磨削中砂輪與工件界面中固相反應(yīng)及金剛石 立激光誘導(dǎo)改善切削性能試驗裝置； （ 5）建立 多功能集成化柔性光學(xué) 測量實驗平臺及 光學(xué) 式 原位測量 的 關(guān)鍵基礎(chǔ)理論 ； （ 6）建立基于物理標(biāo)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。 研究內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 第 三 年 （ 1）研究基于自由曲面 成像系統(tǒng)光學(xué)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(yùn)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 ； （ 3）研究多尺度方法復(fù)合分析的納觀仿真方法， 非均勻變流向 成型 中材料的變形行為 ，研究 納米尺度的晶格畸變與缺陷 、 材料塑性與斷裂行為 ，對于 光學(xué)自由曲面材料功能特性的影響 ； （ 4）實驗研究化學(xué)機(jī)械磨削中砂輪與工件界面中的物理化學(xué)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 ； （ 5）實驗研究高效被動測量方法、研究原位測量系統(tǒng)在原位集成中的系統(tǒng)誤差溯源、加工表面細(xì)節(jié)增強(qiáng)及特征提取技術(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)據(jù)的 無變形縮減 建模方法。 （ 1） 建立單獨(dú)自由曲面或混合光學(xué)系統(tǒng)的像差、 光學(xué)模型， 評估 光學(xué)自由 曲面 光學(xué)元件的容差要求， 完成基于自由去面光學(xué)元件的大視場離軸三反系統(tǒng)的設(shè)計 ； （ 2） 建立以光學(xué)自由曲面的逐次迭代去除模型 ， 形成光學(xué)自由曲面的分域迭代加工理論體系 ； （ 3）建立光學(xué)自由曲面成形過程中材料表層 光學(xué)特性及力學(xué)特性 演變理論，納觀尺度下光學(xué)自由曲面非均勻變流向加工仿真及分析； （ 4）建立化學(xué)機(jī)械磨削中砂輪與工件界面中的物理化學(xué)行為及其耦合作用機(jī)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(bǔ)償理論； （ 6）建立海量數(shù)據(jù)高效分隔及重構(gòu)理論方法，提出海量數(shù)據(jù)的高效無形變縮減方法。 研究內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 第 四 年 （ 1）研究基于自由曲面的 照明系統(tǒng)設(shè)計， 研究照明系統(tǒng)接受面照度分布及入射點方向與光學(xué)表面設(shè)計參數(shù)的直接映射規(guī)律，快速有效的建立多參數(shù)約束的 自由曲面的 數(shù)值 表達(dá) 式 ； （ 2）研究 光學(xué)自由曲面時變工況激勵下加工精度 保證體系、 時變工況激勵下控制系統(tǒng)與機(jī)械結(jié)構(gòu)耦合動態(tài)特征表達(dá)方法 及對加工精度的擾動規(guī)律 、 基于耦合動態(tài)特征的控制參數(shù)與機(jī)械結(jié)構(gòu)逆向優(yōu)化匹配 ； （ 3） 對納米去除材料的表面 /亞表面裂紋進(jìn)行檢測 分析，研究 探索加工區(qū)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(kuò)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(xué)機(jī)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(jī)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(jī)理模型，進(jìn)行 離子注入材料的納米切削分子動力學(xué)仿真 ； （ 5）研究 測量系統(tǒng)與加工裝備的坐標(biāo)一致性策略 、 原位測量系統(tǒng)在加工裝配中的 控與反饋策略 ； （ 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(jìn)行實際的再構(gòu)及補(bǔ)償實驗研究。 （ 1）建立離軸三反望遠(yuǎn)光學(xué) 實驗 系統(tǒng)，建立 照明系統(tǒng)接受面照度分布及入射點方向與光學(xué)表面設(shè)計參數(shù)的直接映射規(guī)律 ； （ 2） 建立基于耦合動態(tài)特征的控制參數(shù)與機(jī)械結(jié)構(gòu)逆向優(yōu)化匹配理論 ，提供 時變工況激勵下控制系統(tǒng)與機(jī)械結(jié)構(gòu)耦合 對加工精度影響規(guī)律；完成 控制參數(shù)的優(yōu)化匹配 以及 加工精度的調(diào)控機(jī)制 ； （ 3）實現(xiàn)納觀尺度下光學(xué)自由曲面非均勻變流向加工仿真及分析，建立光學(xué)自由曲面成形過程中 材料表層特性特性 演變機(jī)理 ， 揭示沿不同晶向的裂紋形式、分布規(guī)律和擴(kuò)展機(jī)制等 ； 建立控制納米尺度裂紋擴(kuò)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(jī)理、外加物理場抑制刀具磨損的機(jī)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(xué)自由曲面測量數(shù)據(jù)面形誤差高效分離理論方法、建立光學(xué)自由曲面補(bǔ)償再構(gòu)的軌跡再規(guī)劃方法，完成光學(xué)自由曲面面形質(zhì)量 控制再構(gòu)。 研究內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 第 五 年 （ 1）基于自由曲面的 成像系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計方法及其 像質(zhì)評價體系 的研究； （ 2）研究 光學(xué)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(xué) 模型建立方法， 時變工況激勵下控制系統(tǒng)與機(jī)械機(jī)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 ； （ 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剛石微刀具，建立連續(xù)變深材料 遷移實驗驗證方法 ； （ 4）進(jìn)行典型光學(xué)材料的化學(xué)機(jī)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(xué)元件模具材料）的切削工藝實驗；研究適用于超精密車床的在 線物理場加載設(shè)備，注入后材料對光學(xué)性能的影響和抑制效應(yīng)； （ 5）研究光學(xué)自由曲面模擬加工仿真模型， 針對典型光學(xué)自由曲面器件，建立其光學(xué)特性參數(shù)和幾何誤差量之間的影響模型 。 （ 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(xué)特性參數(shù)的加工質(zhì)量綜合評價方法。 （ 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(xué)自由曲面形成過程的數(shù)字化仿真平臺 ； （ 2） 構(gòu)建光學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)材料的化學(xué)機(jī)械磨削的工藝過程控制方法和工藝規(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 。 （ 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(xué)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(xué)自由曲面制造已成為提升國家經(jīng)濟(jì) 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(xué)自由曲面制造的發(fā)展趨勢，本項目以光學(xué)自由曲面空間構(gòu)建與物理再構(gòu)理論、再構(gòu)過程的多態(tài)量耦合影響機(jī)制、納米尺度多物理場材料 成形 機(jī)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(xué)問題展開研究： 1. 光學(xué)自由曲面性能要求與空間表達(dá)的映射規(guī)律及物理再構(gòu) 光學(xué)自由曲面給光學(xué)設(shè)計人員提供 了 很大的設(shè)計自由度， 隨著 現(xiàn)代光學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、 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(fù)雜的光學(xué)自由曲面也被紛紛提出 。設(shè)計的 復(fù)雜性和 隨意性使其 異于 已有的傳統(tǒng)光學(xué)器件 ，傳統(tǒng)空間表達(dá)方式已很難勝任新型光學(xué)自由曲面描述。這種面形的復(fù)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(jìn)制造領(lǐng)域提出了極大的挑戰(zhàn)。需要將機(jī)械學(xué)與數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、 計算機(jī)圖形學(xué)、 材料學(xué)等領(lǐng)域知識有機(jī)地結(jié)合起來， 探索 光學(xué)自由曲面制造中的 性能要求和空間表達(dá)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(fù)合作用機(jī)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(xué)自由曲面形態(tài)學(xué)演變與空間表達(dá)新方法 光學(xué)自由曲面的空間表達(dá)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(dá)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(dá)策略進(jìn)行 可靠 描述，仍無系統(tǒng)完善的自由曲面光學(xué)優(yōu)化設(shè)計方法，光學(xué)像質(zhì)評價及公差分析過程涉及到大量多目標(biāo)約束等。重點研究和解決以上關(guān)鍵基礎(chǔ)問題，為光學(xué)自由曲面物理再構(gòu)和測量評價補(bǔ)償?shù)忍峁┯辛χ危饕?研究內(nèi)容包括： 光學(xué)自由曲面空間表達(dá)一致性模型及空間特征解析； 光學(xué)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(xué)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(xué)性能與空間特征映射基礎(chǔ)理論及像質(zhì)評價體系； 光學(xué)自由曲面建模與光學(xué)特性評價平臺。 光學(xué)自由曲面成形過程的物理解析及再構(gòu)策略 隨著光學(xué)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(xué)特性、熱學(xué)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(biāo)，研究光學(xué)自由曲面加工裝備多體多態(tài)動力學(xué)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(jī)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(bǔ)償策略和控制參數(shù)與機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化匹配對加工精度的調(diào)控機(jī)制。主要研究內(nèi)容包括： 幾何 /物理 /材料（ 元關(guān)聯(lián)約束下光學(xué)自由曲面 成形 的空間構(gòu)型理論 ； 束下光學(xué)自由曲面加工裝備多體多態(tài)動力學(xué)行為與精度穩(wěn)定性模型 ； 光學(xué)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(jī)械機(jī)構(gòu)耦合動態(tài)特征表達(dá)、對加工精度的擾動規(guī)律與調(diào)控機(jī)制 ； 光學(xué)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(xué)自由曲面多場作用成形的材料遷移納觀物化行為與機(jī)制 由于 光學(xué)自由曲面 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(jī)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(xué)自由曲面 制造 成熟理論。需要研究的核心科學(xué)問題是 光學(xué) 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(jī)械材料特性、 工具磨損機(jī)理及其與加工材料之間的微觀力學(xué)特性等 。 主要研究內(nèi)容： 光學(xué)自由曲面成形過程中的被加 工材料納觀物化行為 光學(xué)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(fù)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(xué) 行為。需要借助微觀力學(xué)、介觀模擬等手段深入分析 材料的變形行為、斷裂機(jī)制、材料 運(yùn)動學(xué)、 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(xué)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(xué)自由曲面非均勻變流向納 觀材料遷移 理論； 光學(xué)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(jī)理； 納米尺度材料 遷移的 跨尺度效應(yīng)及動力學(xué)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(jī)理驗證實驗設(shè)計與理論表征。 光學(xué)自由曲面成形過程中的界面作用機(jī)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 切屑界面處的高溫和摩擦?xí)觿U(kuò)散作用進(jìn)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(qiáng)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(jī)理、工具與加工材料之間的微觀力學(xué)行為、工具 壽命 增強(qiáng)機(jī)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(jī)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(xué)分析。 3. 光學(xué)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(rèn)識， 光學(xué)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，而使用性能與表面質(zhì)量存在有機(jī)的聯(lián)系。 物理再構(gòu)過程中的裝備部件的動力學(xué)行為、 被加工材料遷移行為、 制造工具磨損行為等都直