超精密自由曲面光學設計、加工及測量技術

序
前言
第1章 自由曲面光學超精密制造技術概述
1.1 自由曲面光學的發(fā)展
1.2 自由曲面光學組件
1.2.1 自由曲面光學組件的類型
1.2.2 自由曲面光學組件在光電系統(tǒng)設計中的應用
1.2.3 自由曲面光學組件的重要特征
1.2.4 自由曲面光學組件的加工工藝特征
1.3 自由曲面光學的特殊光學性能及應用前景
1.3.1 特殊光學性能
1.3.2 應用前景
1.4 超精密加工技術的發(fā)展
1.5 自由曲面光學組件的制造過程
1.5.1 光學產(chǎn)品設計及評估
1.5.1.1 光學系統(tǒng)應用研究
1.5.1.2 光學系統(tǒng)優(yōu)化設計
1.5.1.3 光學透鏡原型試制
1.5.1.4 光學組件原型檢測與光學質(zhì)量評估
1.5.2 實際生產(chǎn)光學組件及產(chǎn)品光學質(zhì)量評估
1.5.3 利用計算機進行數(shù)字化設計與制造的探討
1.5.3.1 光學系統(tǒng)數(shù)學原型的構(gòu)成
1.5.3.2 光學成像質(zhì)量的數(shù)字化檢測
參考文獻

第2章 自由曲面光學設計
2.1 自由曲面光學設計概述
2.2 非球面光學成像系統(tǒng)的設計
2.2.1 光學成像系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)
2.2.2 非球面的定義
2.2.3 非球面空間光線的追跡
2.2.4 非球面的初級像差
2.3 自由曲面光學系統(tǒng)的設計
2.3.1 自由曲面光學組件的特征與數(shù)學表達式
2.3.2 自由曲面光學組件的光線追跡
2.3.2.1 貝塞爾裁剪法
2.3.2.2 光線.有理貝塞爾曲面的相交
2.3.2.3 NURBS曲面的光線追跡
2.4 光學系統(tǒng)的優(yōu)化
2.4.1 評價函數(shù)
2.4.1.1 由幾何像差構(gòu)成的評價函數(shù)
2.4.1.2 由點列圖構(gòu)成的評價函數(shù)
2.4.1.3 由波差構(gòu)成的評價函數(shù)
2.4.1.4 由光學傳遞函數(shù)構(gòu)成的評價函數(shù)
2.4.2 最小二乘法
2.4.2.1 概述
2.4.2.2 阻尼最小二乘法
2.4.3 基因算法
2.5 光學系統(tǒng)的像質(zhì)評定
2.5.1 瑞利判據(jù)
2.5.2 點列圖法
2.5.3 光學傳遞函數(shù)法
2.6 自由曲面成像系統(tǒng)設計思路
2.7 照明系統(tǒng)設計基礎
2.7.1 輻射度學中的量
2.7.2 亮度學中的量
2.7.3 輻射度學與亮度學中量的對應關系
參考文獻

第3章 超精密加工技術
3.1 超精密加工機床的關鍵技術
3.1.1 超精密主軸部件
3.1.2 機床床身布局與精密導軌部件
3.1.2.1 超精密加工機床的布局
3.1.2.2 床身和導軌材料的選用
3.1.2.3 導軌形式的選用
3.1.3 高精密度的進給驅(qū)動系統(tǒng)-
3.1.4 機床運動部件位移的納米量級激光在線檢測系統(tǒng)
3.1.5 超精密加工機床的數(shù)控技術
3.1.6 機床隔振及環(huán)境控制系統(tǒng)
3.2 單點超精密切削技術
3.2.1 兩軸超精密加工機床
3.2.1.1 兩軸超精密加工機床Nanofom200
3.2.1.2 大型兩軸超精密加工機床
3.2.2 單點金剛石超精密切削原理
3.2.3 金剛石切削刀具的特性
3.2.4 切削參數(shù)對加工表面質(zhì)量的影響
3.2.4.1 刀具幾何參數(shù)對加工表面質(zhì)量的影響
3.2.4.2 切削用量參數(shù)對加工表面質(zhì)量的影響
3.2.5 非球面超精密加工及誤差補償技術
3.2.5.1 非球面透鏡的加工技術
3.2.5.2 非球面工件的誤差補償
3.3 光學自由曲面超精密加工技術
3.3.1 光學自由曲面加工原理
3.3.2 大型五軸超精密加工中心
3.3.3 切削加工工藝參數(shù)對加工表面質(zhì)量的影響
3.3.4 自由曲面加工刀具軌跡生成系統(tǒng)
3.3.4.1 自由曲面數(shù)學表示方法
3.3.4.2 光學自由曲面飛刀加工的刀位軌跡算法
3.3.4.3 自動數(shù)控編程及其刀具軌跡仿真軟件
3.3.5 光學微透鏡陣列的超精密加工
3.3.5.1 FTS的結(jié)構(gòu)特點與加工原理
3.3.5.2 FTS加工非軸對稱光學自由曲面過程
3.3.5.3 FTS加工光學微透鏡陣列過程
3.3.6 光學微溝槽的超精密加工
3.3.7 光學設計與制造一體化系統(tǒng)
3.4 超精密拋光自由曲面光學表面生成
3.4.1 自由曲面拋光
3.4.2 超精密拋光自由曲面
3.4.3 拋光策略建模與優(yōu)化
3.4.4 試驗研究
3.4.4.1 A部分試驗：拋光去除表面刀痕的效果
3.4.4.2 B部分試驗：拋光策略對表面生成的影響
參考文獻

第4章 光學自由曲面超精密測量技術
4.1 概述
4.2 光學曲面形狀與表面粗糙度測量技術
4.2.1 接觸式激光干涉形貌測量法
4.2.2 非接觸式激光干涉形貌測量法
4.2.3 超高精度原子力測量三維輪廓儀法
4.2.4 超精密3D坐標測量機
4.3 光學自由曲面形狀測量原理
4.3.1 形狀評定的數(shù)學模型
4.3.1.1 基準曲面的重構(gòu)
4.3.1.2 測量面與基準面的匹配
4.3.2 形狀誤差評定參數(shù)
4.3.3 形狀誤差評定的仿真、試驗分析
4.3.3.1 仿真分析
4.3.3.2 試驗分析
4.4 基于曲面固有屬性的自由曲面面形評定方法
4.4.1 表面數(shù)據(jù)采樣策略及曲面重構(gòu)指標
4.4.1.1 測量規(guī)劃和采樣策略
4.4.1.2 曲面重構(gòu)和平滑指標
4.4.2 超精密自由曲面通用評定方法的開發(fā)
4.4.3 試驗驗證及結(jié)果
4.4.3.1 非球面表面評定
4.4.3.2 微透鏡陣列表面評定
4.4.3.3 結(jié)果討論與未來工作
4.5 光學自由曲面表面粗糙度測量原理
4.5.1 光學表面形貌測量
4.5.1.1 多項式擬合法
4.5.1.2 濾波法
4.5.1.3 Motif法
4.5.1.4 分形法
4.5.2 穩(wěn)健高斯濾波的數(shù)學模型
4.5.3 穩(wěn)健高斯濾波算法的仿真分析及試驗驗證
4.5.3.1 仿真分析
4.5.3.2 試驗驗證
4.6 光學自由曲面三維形貌測量系統(tǒng)軟件
4.7 光學自由曲面面形與表面粗糙度測量實例
參考文獻

第5章 超精密加工過程仿真及優(yōu)化
5.1 材致振動
5.1.1 材致振動的概念
5.1.2 微量切削力預測
5.1.3 動態(tài)切削系統(tǒng)模型
5.2 表面粗糙度預測
5.3 加工過程仿真工件模型
5.3.1 工件模型
5.3.2 仿真數(shù)據(jù)記錄
5.3.3 刀具模型
5.3.3.1 刀具模型描述
5.3.3.2 刀具輪廓描述
5.3.3.3 刀具掃描體簡化
5.3.4 車削加工過程仿真
5.4 虛擬加工和檢測系統(tǒng)
5.4.1 VMIS體系結(jié)構(gòu)
5.4.2 虛擬現(xiàn)實環(huán)境
5.4.3 加工系統(tǒng)設備建模方法
5.4.3.1 虛擬機床
5.4.3.2 虛擬測量機
5.4.3.3 虛擬刀具
5.4.3.4 虛擬夾具
5.4.4 虛擬加工模塊
5.4.4.1 刀具工件相對位置計算子系統(tǒng)
5.4.4.2 加工仿真子系統(tǒng)
5.4.5 虛擬檢測模塊
5.5 切削參數(shù)的優(yōu)化選擇
5.6 誤差補償
5.6.1 對刀誤差預測與補償
5.6.2 機床幾何誤差補償
參考文獻

第6章 自由曲面光學組件設計、加工及面形測量集成制造技術平臺.
6.1 概述
6.2 集成制造系統(tǒng)
6.2.1 光學設計模組
6.2.2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模組
6.2.3 加工過程仿真與優(yōu)化模組
6.2.3.1 光學自由曲面自動編程及刀具軌跡仿真軟件開發(fā)
6.2.3.2 加工過程仿真、精度預報、誤差補償及策略優(yōu)化
6.2.4 自由曲面測量與評估模組
6.2.4.1 連續(xù)自由曲面誤差評定算法
6.2.4.2 結(jié)構(gòu)型自由曲面誤差評定算法
6.3 成功應用案例-
6.3.1 案例1：用于激光打印機的關鍵f-0透鏡型芯零部件
6.3.2 案例2：用于手機等微透鏡陣列背光板的光學微結(jié)構(gòu)
參考文獻

第7章 自由曲面光學設計實例
7.1 非球面成像系統(tǒng)
7.1.1 非球面在校正與孔徑有關的各區(qū)帶高級球差上的應用
7.1.2 非球面在校正與視場有關的像差上的應用
7.2 自由曲面成像系統(tǒng)
7.2.1 奧林巴斯自由曲面手機攝像鏡頭
7.2.2 自由曲面f-0透鏡激光掃描系統(tǒng)
?7.2.3 漸進式自由曲面老花眼鏡的設計
7.2.3.1 單光眼鏡（單焦點眼鏡）
7.2.3.2 雙光眼鏡（雙焦點眼鏡）
7.2.3.3 三光眼鏡
7.2.3.4 漸進眼鏡（多焦點眼鏡）
7.2.4 二元光學目鏡
7.2.5 三角棱鏡指紋儀鏡頭
7.2.6 多棱鏡一
7.2.6.1 視頻鏡頭照相物鏡設計
7.2.6.2 雙影鏡設計
7.2.6.3 柱面鏡設計
7.2.6.4 多棱鏡設計
7.2.6.5 蜂窩棱鏡設計
7.2.7 光電鼠標的光學系統(tǒng)設計
7.3 自由曲面照明系統(tǒng)
7.3.1 LED準直內(nèi)透鏡
7.3.2 LED準直外透鏡
7.3.3 LED均勻照明二次光學器件
7.3.4 側(cè)面發(fā)光LED內(nèi)透鏡
7.3.5 側(cè)面發(fā)光LED外透鏡
7.3.6 LED二次光學組件
7.3.7 相機閃光燈的反光杯
7.3.8 自由曲面平板顯示背光源模塊的設計
7.3.8.1 手機背光源的基本結(jié)構(gòu)
7.3.8.2 輪廓漸變的自由曲面V形槽設計
7.3.9 汽車前照燈自由曲面反光鏡的設計
7.3.1 0LED路燈透鏡二次光學組件的設計
參考文獻