光学成像质量可控的自由曲面制造基础研究

The manufacture of freeform optics has become a high-tech focus of the competition between countries due to the excellent characteristics improving the quality of optical imaging. Freeform optics is a development co-product of the optical engineering and mechanical manufacturing. The geometric surface accuracy have been the evaluation standand two areas of these two fields for a long time, which is difficult to meet the need for high-quality optical freeform applications. A new controllable manufacture method of freeform optics in imaging quality is proposed in this project. The mathematical description of the optical free-form surface will be studied according to the establishment of wavefront aberration analysis model. The wavefront aberration theory, as a link, will be used to explore the internal relations between of the imaging quality and processing quality. An integrated system of imaging quality evaluation for freeform optics will be established through the research. The optical design method is proposed consindering the image quality and machining process. The integrated platform for high-precision image quality evaluation and wavefront aberrations on-machining measurement platform will be also established for the controllable manufacture of freeform optics in imaging quality. The research achievements will provide the theoretical foundation and technology platform to support the application improvement of freeform optics.

光学自由曲面具有改善光学成像质量的卓越特性，其制造已成为各国之间高技术领域竞争的焦点。光学自由曲面是光学工程与制造技术共同发展的产物，长期以来两个领域都是以几何精度为标准进行光学器件质量评价，而没有从最终应用性能上进行真正地质量评价，难以满足新一代光学自由曲面应用的需要。本项目提出光学自由曲面成像质量可控制造的新方法，建立面向波前像差分析的光学自由曲面数学描述模型，并以波前像差理论为纽带，研究光学自由曲面波前像差与成像质量评价参数及面形补偿量的映射模型，探索光学成像质量和加工质量的内在联系，建立光学自由曲面成像质量评价的综合体系。提出面向最终成像质量及加工过程的光学设计方法，建立高精度成像质量评价的集成平台，及波前像差原位测量平台，实现光学自由曲面器件成像质量的可控制造，为光学自由曲面高精度制造和应用提供理论基础和技术平台。

光学自由曲面具有改善光学成像质量的卓越特性，是光学工程与机械制造共同发展的产物。长期以来以几何精度为标准进行光学器件制造质量评价，没从最终性能上进行真正的质量评价，难以满足新一代光学自由曲面应用需求。.项目提出光学自由曲面成像质量可控制造新方法，以波前像差理论为纽带建立加工误差项与波前像差之间的映射关系，实现了光学自由曲面器件与系统的光学性能可控制造。提出基于特定器件预加工的超精密机床误差测量和识别方法，实现光学性能直接测量与补偿；分析表面切削纹理对光学性能影响规律，提出减小纹理角度或改变面间纹理夹角等方法提高系统光学性能；提出基于泰曼格林干涉以及光线偏折的光学自由曲面波前像差测量方法，利用Zernike多项式模型表征，有效实现了光学器件与系统波前像差测量；提出面形误差和光学性能集成化测量方法，实现了面形误差、光学指标及光学性能的综合测量；提出基于光线偏折理论的自由曲面空间位姿定位方法，为商用轮廓仪提供自由曲面评价基准；提出近二次曲面自由曲面设计和性能可控制造的整体方案，首次实现了脆性材料自由曲面高效低损伤加工和应用，同时将系统整体性能提升至成像衍射极限，应用于兵器部二一一所重点项目中；提出了多面共体一体制造和光学性能集成式测量想法，实现了光学自由曲面离轴三反成像系统高性能制造，与中国兵器科学研究院建立项目合作。.项目共发表科技论文25篇，其中SCI收录19篇（SCI二区论文8篇，三区论文10篇），EI收录21篇；参加国际生产工程院(CIRP) 年会5人次，其他国际会议5人次，发表会议报告9次；申请国家发明专利7项，其中授权国家发明专利2项；参与项目硕士生6人、博士生6人，其中培养硕士生6人、博士生3人，获研究生国家奖学金3人次、国际会议优秀论文2人次；项目负责人2016年入选天津大学“北洋青年学者计划”，2017年获“天津市滨海新区科技创新领军人才”称号。.研究成果涵盖了光学自由曲面表面和系统的设计到具体应用的关键环节，从整体上保证了光学性能可控制造这一想法，为光学自由曲面的深入应用和推广奠定了良好基础。