高性能光学元件/系统是信息感知及获取的“眼睛”,其中因脆性材料光学自由曲面具有特殊波段特性,在国防安全、空间探测等领域具有十分重要应用价值。对于脆性材料的应用来说,加工器件最终光学性能直接受到加工表面精度和损伤的影响,因此,脆性材料光学自由曲面的加工除了要求高的表面形状精度,还必须具有好的加工材料表面完整性。然而,目前尚没有形成有效的脆性材料光学自由曲面高精度、高质量、高性能的超精密车削加工方法与相关工艺,限制了脆性材料光学自由曲面的广泛应用以及相关领域的快速发展。本课题围绕脆性材料光学自由曲面高效切削加工成形难点,开展从设计表征、加工制造、测量评价等方面的系统研究,主要内容如下:(1)研究脆性加工材料表面完整性表征,建立基于拉曼光谱的脆性材料表面及亚表面损伤的定量表征模型;提出自由曲面非回转度的概念,阐明快刀伺服车削下自由曲面近回转的约束条件,研究快刀伺服车削加工路径规划方法,构建超精密切削约束下的光学自由曲面加工策略。(2)研究单点金刚石加工下典型脆性材料单晶锗切削工艺对表面完整性的影响,构建自由曲面近回转面红外透镜的设计构建和表征分析方法,形成快刀伺服车削的单晶锗近回转面光学元件的加工工艺,实现高性能近回转面红外成像透镜的高效加工,对加工表面质量进行测量并对搭建光学系统进行测试,验证方法的有效性。(3)研究异形口径光学自由曲面的高效超精密车削方法,分析快刀伺服机构的运动性能和加工精度演变规律,通过采用非回转度优化策略下的轮廓线选取方式进行非圆域下的面形分解与重构;研究切削纹分布对光学元件衍射效应的影响,通过改进离轴车削方法改善大长宽比矩形口径光学自由曲面反射性能。(4)研究脆性材料均匀表面质量微透镜阵列的超精密车削方法,提出脆性材料自由曲面模芯思路,为光学自由曲面绿色制造提供新方案。通过分区域加工与间歇切削对加工路径平滑,获得端面和柱面微透镜阵列稳定加工状态,实现高表面质量一致性;实现具有大景深成像的光场相机微透镜阵列元件制造。