光学自由曲面设计和制造技术新进展

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1. 文章导读

自由曲面光学的设计与制造是先进光学工程领域的前沿代表性技术之一。自由曲面一般指轴向不平衡或没有旋转不变轴的复杂曲面。自由曲面光学元件不仅可以实现光学系统中仅靠传统的球面和对称非球面难以实现的功能，且所需元件数量少，从而使整个光学系统更小、更轻和更高效，满足了现代光学系统向高性能、轻量化和小型化发展的需求。过去十多年，越来越多的现代光学系统采用自由曲面元件为核心部件，例如在航空航天、汽车、半导体、生物医疗、国防工业等领域，自由曲面光学元件有着广泛的应用前景。现代精密光学系统已步入了新的“自由曲面”时代。

现代精密光学系统的革新对超精密加工和表面检测技术提出了新的要求。二十多年的发展，我们对自由曲面光学有哪些新的认识？在光学系统中自由曲面的发展和应用方面，我们达到了哪个阶段？目前在设计、制造和生产方面开发了多少高效工具？当前自由曲面光学元件生产的主要挑战是什么？近期，英国哈德斯菲尔德大学精密技术中心高级研究员童振及其博士生Sumit Kumar，和EPSRC未来制造计量中心主任蒋向前院士在SCIE期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同发表《光学自由曲面设计和制造技术新进展》的综述，系统总结了先进自由曲面光学设计应用、制造工艺和表面计量的最新进展，所面临的挑战，并讨论了该技术领域未来的发展趋势。

亮点：
● 系统总结了当前自由曲面光学镜片的设计原理及应用领域；
● 系统阐述了超精密自由曲面加工的各类方法、特点及应用；
● 系统介绍了自由曲面离线检测、表面评定和在线检测技术的新进展；
● 详细讨论了当前先进自由曲面光学设计、制造及检测所面临的挑战及未来发展趋势。

2. 研究背景

图1展示了自由曲面光学的设计、制造与表面检测的主要技术手段。根据光学系统性能的需求，可以采用多种自由曲面设计方法进行优化设计。自由曲面的加工和检测也需要根据不同的设计尺寸、光学材料的可加工性和具体的应用环境，来选择规划最优的加工工艺方法。当前，超光滑自由曲面镜的生产制造面临着加工效率低下，生产成本高的挑战，极大制约了自由曲面镜的大规模应用。在超精密加工系统中集成在线检测模块是学术界新近研发出的一项技术，该技术实现了超精密加工与检测技术的融合，能够极大简化整个制造工艺流程，为超精密光学自由曲面加工效率和精度的跃升提供了一个有效手段，将极大促进复杂自由曲面光学系统的设计制造和新一代光学系统的开发应用。在本文中，作者对自由曲面光学设计、制造与检测的最新进展进行了详细介绍。

图1 光学自由曲面设计、制造及检测工艺过程。

3. 最新进展

本文主要从以下三个方面对发展现状进行了总结：自由曲面光学应用和设计，超精密自由曲面加工技术，光学自由曲面表面检测。

自由曲面光学应用和设计优化：根据自由曲面光学系统的应用需求（成像和非成像光学），发展起来了多种自由曲面光学器件和系统的设计方法。例如：偏微分方程、剪裁方法、点对点映射、同时对设计的表面可以采用多表面优化和基于像差等指标进行性能的综合优化。然而，自由曲面的设计与应用尚未形成标准化体系，如何在设计过程中考虑加工过程的优化，是一个亟需解决的重要课题。

超精密自由曲面加工技术：随着光学系统向更轻、更集成、更智能的方向发展，自由曲面光学器件面形变得越来越复杂。采用多轴联动超精密金刚石切削加工技术，可以高精度的加工出多种形状复杂且光滑的自由曲面。为了满足当前市场新产品开发的要求，对革新当前自由曲面光学元件的生产工艺链的需求日趋强烈。各类超精密加工和表面平滑技术是当前开发自由曲面光学器件最可靠的生产技术。如何确保加工精度的同时最大化加工效率，提升生产制造的自动化和智能水平，是目前国际上超精密加工装备和工艺技术研发人员所目前面临的共同挑战。

光学自由曲面表面检测：自由曲面由于面形复杂，采用何种表面测量方法，需要综合考虑待测自由曲面光学元件的表面曲率、纵深、表面结构特征、尺寸，以及对测量速度、测量精度的要求。测量结果的分析评定除了分析算法本身，亦要考虑测量环境的变化、仪器设备的误差、测量人员的操作等人为因素，进而避免不确定性因素对测量结果分析评定的影响。目前，自由曲面光学器件的生产成本高昂，对自由曲面的评定尚未形成统一的技术标准。因此，必须在可控和不确定性参数之间保持适当的平衡，以将产品的生产成本控制在有限的范围内。在生产制造过程中集成在线检测系统，可以有效地简化生产制造的流程，降低不确定因素对生产过程的影响。

4. 未来展望

自由曲面光学的设计与制造是先进光学工程领域的前沿代表性技术之一，在在太空探索、半导体、新能源汽车、生物医疗、国防工业等重要领域发挥越来越重要的作用。自由曲面光学器件的设计与制备必须遵循 3F 原则，即形状（form）、配合（fit）和功能（function）。如何简化整个设计、制造、组装和测试的流程，缩短产品研发周期和生产制造的时间，对减少能源消耗和材料浪费具有重要的工程实用价值。以下总结了一些关于自由曲面光学的设计、制造领域的技术难题和发展趋势，供相关领域的学者共同研究和探讨：

● 目前虽可以借助 Code V、Zemax 等商业软件来完成光学系统设计，但对操作者的专业基础知识和设计经验要求高，尤其对于复杂光学系统的全局优化，目前缺乏对设计方案优劣评价的标准。

● 对于新颖的自由曲面光学器件，在设计阶段对制造加工约束进行手动分析是不可靠、不切实际和不可能的。是否有可能开发一个可靠的智能仿真预测系统来预测所设计的自由曲面光学表面的应在何种定位姿态以获得最佳的光学性能？

● 高科技产品和国防领域对自由曲面光学器件的需求量越来越大，设计也越来越复杂，如何平衡超精密加工及表面平滑技术的加工精度与效率？我们距离自由曲面光学元件的可持续制造的完整解决方案还有多远？

● 表面测量和评定的复杂性随着要测试的自由曲面光学元件的自由度的增加而增加。目前已有一些商品化的自由曲面测量仪器（如TaySurf ®PGI, LophoScan等），然而自由曲面的全域表面测量难度高，耗时长，测量方分析方法通用性不强。如何实现自由曲面的快速测量与评定，提升测量仪器和技术的高精度、高效率和高通用性将是自由曲面检测领域未来发展的大趋势。这也将极大地提升整个自由曲面加工技术的精度，缩短产品研发的周期，推动自由曲面光学器件的大规模应用。