光學自由曲面的設計、加工及測量技術是一門新興的學科。本書系統介紹了自由曲面光學組件設計、加工、測量的基本理論、最新發展及應用實例，還總結了作者多年從事超精密加工技術研究的成果和經驗。全書共分7章，包括自由曲面光學超精密制造技術概述、自由曲面光學設計、超精密加工技術、光學自由曲面超精密測量技術、超精密加工過程仿真及優化、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及自由曲面光學設計實例。
自由曲面給傳統光學以新的生命力，由其構成的光學組件作為信息傳遞的關鍵組件，在計算機、光通信、手機、數碼以及視聽設備等各種光電產品中，起著極其重要的作用。自由曲面光學是伴隨光電信息技術的迅速發展而形成的新興光學應用技術學科。
自由曲面光學與傳統球面光學比較，有以下三個不同的特點：
一、突破傳統光學成像的概念，根據現代光電信息技術對信息發送、接收、轉換、傳遞與存儲功能的特殊需要，光學面形可由非對稱、不規則、復雜的自由曲面隨意組合而成。
二、突破傳統光學加工方法的概念，采用先進的數控超精密制造技術，直接加工出自由曲面光學面，被加工表面可以達到亞微米量級面形精度與納米量級表面粗糙度。
三、突破傳統光學玻璃材料的概念，采用光學塑料注塑等新材料新技術，大批量生產光學組件。
自由曲面的應用，使得光學成像系統的成像質量大大提高，光學照明和信息傳輸系統的照明均勻性和能量傳輸效率大大提高。各種變形透鏡、棱鏡與反光鏡使得系統的空間布局靈活性增加，系統光路大大壓縮，系統的輕量化更容易實現，產品的結構與性能得以優化。同 時，自由曲面光學元件采取大批量生產工藝生產，大大降低了產品的成本，因此自由曲面光學產品極大地擴展了應用的空間，市場需求也獲得急速增長。
自由曲面光學的設計與超精密制造技術，是當代最高水平的計算機輔助設計、制造與檢測技術集成的先進光學制造工程技術。隨著香港經濟的轉型，香港的制造業越來越向著高科技、高附加值方向發展。高精度、高質量產品的需求將日益增加，并且正在向著微型化的方向發展。因而，先進光學超精密制造技術對制造業的發展前景的影響確實是舉足輕重的，而且對精密加工技術的發展也至關重要。
香港理工大學超精密加工技術國家重點實驗室伙伴實驗室（以下簡稱“實?驗室”）獲得香港特區政府創新科技署撥款于1996年成立，是亞洲最先進的光學制造實驗室之一。實驗室擁有先進的超精密加工及測量設備，并擔負著在中國推廣和使用超精密加工技術的使命，是香港首家推廣與應用超精密加工技術、光學精密模具技術及光學產品精密注塑技術的先進光學制造實驗室。
實驗室在超精密加工技術領域不斷進行科學研究、產品開發及科技推廣活動。其研究工作主要包括：超精密切削機理；脆性材料超精密加工方法；金屬晶體取向對超精密加工的影響；不同材料、切削量及切削速度對表面粗糙度的影響，以及在加工過程中材料引起的表面振動等情況的模擬（可成功地預測在不同條件下超精密加工表面的情況）。同時，實驗室還對光學自由曲面及光學微結構的超精密加工技術進行研究，目前正在開發一套適合超精加工微型槽和微透鏡列陣的刀具軌跡自動生成軟件。
實驗室經過多年的研究與發展，在理論與技術上日漸完善。
本書以設計與制造的實踐為基礎，詳細討論了自由曲面的光學設計、加工、測量等問題，為讀者提供了與之相關的系統的理論、先進的技術、豐富的案例以及詳實的方法。本書可為從事光學設計、先進制造技術的研究人員，以及對本領域感興趣的技術人員提供參考。
本書的編寫出版得到了“廣東省引進創新科研團隊計劃——納米級精度加工技術與裝備的研發”（項目編號：201001G0104781202）和“國家自然科學基金——超精密多軸飛刀銑削金剛石刀具磨損在線測量和預測的理論及應用研究”（項目編號：51275434）項目的大力支持與資助。書中內容取材于作者多年的學術積累及有關參考文獻，融入了為工業界及研究院所、大專院校提供技術服務所得的一些新見解，在此謹向相關作者及業界同仁致以誠摯的謝意！實驗室的同事和研究生們為本書的編寫做了大量的資料整理及收集工作，在此也向同事和研究生們一直以來對實驗室發展所做的奉獻及付出表示衷心的感謝！
衷心希望廣大讀者對書中的不足之處給予批評指正。
李榮彬 杜雪 張志輝 2015年1月于香港
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展
1.5 自由曲面光學組件的制造過程
1.5.1 光學產品設計及評估
1.5.1.1 光學系統應用研究
1.5.1.2 光學系統優化設計
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量評估
1.5.2 實際生產光學組件及產品光學質量評估
1.5.3 利用計算機進行數字化設計與制造的探討
1.5.3.1 光學系統數學原型的構成
1.5.3.2 光學成像質量的數字化檢測
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的設計
2.2.1 光學成像系統的基本結構
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 自由曲面光學系統的設計
2.3.1 自由曲面光學組件的特征與數學表達式
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 光學系統的優化
2.4.1 評價函數
2.4.1.1 由幾何像差構成的評價函數
2.4.1.2 由點列圖構成的評價函數
2.4.1.3 由波差構成的評價函數
2.4.1.4 由光學傳遞函數構成的評價函數
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 光學系統的像質評定
2.5.1 瑞利判據
2.5.2 點列圖法
2.5.3 光學傳遞函數法
2.6 自由曲面成像系統設計思路
2.7 照明系統設計基礎
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 高精密度的進給驅動系統-
3.1.4 機床運動部件位移的納米量級激光在線檢測系統
3.1.5 超精密加工機床的數控技術
3.1.6 機床隔振及環境控制系統
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 切削參數對加工表面質量的影響
3.2.4.1 刀具幾何參數對加工表面質量的影響
3.2.4.2 切削用量參數對加工表面質量的影響
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 切削加工工藝參數對加工表面質量的影響
3.3.4 自由曲面加工刀具軌跡生成系統
3.3.4.1 自由曲面數學表示方法
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的結構特點與加工原理
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
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 形狀評定的數學模型
4.3.1.1 基準曲面的重構
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
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 表面數據采樣策略及曲面重構指標
4.4.1.1 測量規劃和采樣策略
4.4.1.2 曲面重構和平滑指標
4.4.2 超精密自由曲面通用評定方法的開發
4.4.3 試驗驗證及結果
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 穩健高斯濾波的數學模型
4.5.3 穩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 動態切削系統模型
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 仿真數據記錄
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
5.4.1 VMIS體系結構
5.4.2 虛擬現實環境
5.4.3 加工系統設備建模方法
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
5.4.4.2 加工仿真子系統
5.4.5 虛擬檢測模塊
5.5 切削參數的優化選擇
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
6.2.1 光學設計模組
6.2.2 數據轉換模組
6.2.3 加工過程仿真與優化模組
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
6.2.3.2 加工過程仿真、精度預報、誤差補償及策略優化
6.2.4 自由曲面測量與評估模組
6.2.4.1 連續自由曲面誤差評定算法
6.2.4.2 結構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構
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
7.1.1 非球面在校正與孔徑有關的各區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
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
?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設計
7.3 自由曲面照明系統
7.3.1 LED準直內透鏡
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 側面發光LED內透鏡
7.3.5 側面發光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構
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
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