关键词：
微纳光学元件
超精密切削
快速刀具伺服
高频响控制
散射特性
色差现象
摘要：
光学领域中,一般将具有规则阵列分布的微观几何形状的一类微结构表面称为微纳光学元件。随着科技产品向高性能化、高精度化、高集成化方向发展,复杂自由曲面微纳光学元件在航空航天、国防军工、生物医疗、电子制造等多个领域中有着重要的应用价值和广阔的应用前景。衍射光学、量子光学等先进的光学理论也逐步应用到光学系统中,来显著改善系统性能。因此,随着光学系统和光学理论的发展,光学元件的加工制造技术和光学性能优化技术需要不断创新与发展。现有光学元件超精密加工技术当中,基于快刀伺服的超精密单点金刚石车削技术是主要加工方式之一,可以加工超光滑(表面粗糙度（6）小于10 nm、高精度（面型精度小于100 nm）的复杂光学表面。但是,随着极端制造的发展需求,快刀伺服切削技术也面临着新的挑战。首先,微纳光学元件工件尺寸极端化、表面形貌复杂度、材料多样性的要求不断提高,传统的螺旋路径的快刀伺服（Fast Tool Servo,FTS）加工工艺存在一系列问题,不能满足现代光学系统这些加工要求。传统的基于螺旋路径的切削工艺工件面型质量均一性差,加工工件尺寸受限,刀具磨损严重,伺服点数量巨多,无法满足微结构阵列的实际需求。此外,FTS控制系统的高频响特性直接影响光学元件的加工效率和加工精度。而压电陶瓷驱动装置的非线性迟滞,加工过程中切削力的干扰,主轴振动、材料各向异性等因素给FTS系统引入严重的跟踪误差,影响系统的高频响性能。以上因素限制了光学元件高精度、高效率的加工需求。更重要的是,光学元件的光学性能至关重要,但常常被机械加工人员所忽视。其中光学元件的表面散射效应和色差现象是其中重要的评价指标。首先,单点金刚石车削光学元件表面不可避免的存在残留刀痕微结构,对应于功率谱密度曲线的中高频误差,使光学元件发生散射现象,恶化光学性能。表面形貌功率谱密度曲线中不同频率成分的误差对光学系统的光学性能影响不同。因此,分析残留刀痕对光学性能的影响,消除车削表面残留刀痕,制造全频段误差精确可控的超精密光学表面至关重要。另一个严重影响光学系统性能的因素是色差现象,会导致成像质量模糊、畸变等缺陷。传统的消色差技术中普遍忽略了CCD采集设备中离散像素点的因素,造成CCD相机中离散像素点与实际物体中物点不是一一匹配的,使成像质量存在较大误差。解决以上这些问题对提高光学系统的光学性能有重要意义,也是光学元件超精密加工需要考虑的重要问题。本论文针对上述问题开展了一系列研究工作,提出了具有工程实际意义的方法和关键技术,主要内容包括以下六章:第一章:本章介绍了复杂自由曲面微纳光学元件的应用前景。重点讨论了基于快刀伺服的超精密切削加工方法与控制系统、车削表面质量控制和光学系统色差校正等领域的研究现状。最后概述了本论文的主要研究内容和意义。第二章:针对传统基于螺旋路径的快刀伺服切削技术中存在的问题,提出一种新型面向微结构阵列的快刀伺服飞切加工（Fast Servo assisted Fly Cutting,FSFC）技术,系统性地介绍了该加工技术的系统配置,工作原理,FTS伺服轨迹规划,表面创成仿真算法和敏感误差分析的内容。最后在超精密机床上进行超精密切削实验对该方法的有效性进行验证,实现三种不同的面型（球面,自由曲面,正弦面）高精度的加工制造。实验结果表明该技术可以克服传统FTS工艺中的诸多问题,可以作为微结构阵列制造的一种有效的加工方法。第三章:针对现有的快刀伺服控制系统高频性能较差的问题,介绍了一种新型的面向周期性微结构阵列加工的高频响控制方法—终端滑模重复控制算法,是首次将重复控制的理念引入到微透镜阵列的超精密切削加工中。该控制算法同时具备终端滑模控制抗干扰能力强、鲁棒性好的优点与重复控制高频响、无稳态跟踪误差的优点。基于MATLAB/Simulink模块搭建快刀伺服装置实时仿真与控制系统。离线与在线控制器性能测试表明终端滑模重复控制算法具有跟踪精度高,伺服带宽高、抗干扰能力强的优点,并且加工出的透镜阵列特征尺寸误差小,并且面型精度达到亚微米级。表明该控制算法可以保证微透镜阵列高精度,高效率加工。第四章:系统性分析了金刚石切削过程中不可避免的产生的周期性残留刀痕微结构,对表面散射现象的影响。提出使用微射流抛光将其周期性表面纹理变成杂乱无章状态,从而达到消除光栅效应的目的,使光学性能满足光学系统使用需求。实验验证表明单点金刚石车削加工和射流抛光相结合的组合加工方式可以突破单点金刚石车削加工极限,获得中高频误差可控的光学表面,可以广泛应用在复杂曲面面的加工上。第五章:针对现有的消色差技术中存在的物点与CCD阵列中像素不匹配的问题,提出了一种基于微结构消色差透镜的成像质量优化方法,可以解决现有的消色差技术中忽略的由于CCD相机离散的像素导致的物点与CCD阵列中像点不匹配的问题。使用粒子群优化算法对
