自由曲面光学元件是复杂的组件，它们通过克服旋转对称光学元件的限制，提供比传统球面和非球面透镜更高的性能。一个自由曲面光学元件通常可以替代光学系统中的多个透镜。

由于自由曲面是非旋转对称的，因此它们在制造过程中没有旋转轴来旋转光学元件。这给制造这些组件带来了挑战，因为这些形状无法使用通常用于旋转对称光学元件的方法制造。为了经济高效地生产自由曲面光学元件，美国OptiProSystems公司已不断改进其CNC光学研磨技术和UltraFormFinishing（UFF）亚孔径抛光系统。此外，OptiPro公司在年推出了PROSurf。PROSurf是一款自由曲面CAM软件，与传统CAM软件包相比，它可以为自由曲面光学元件生成更精确的刀具路径。PROSurf还支持在研磨和抛光自由曲面光学元件时进行计量驱动的校正。

根据客户反馈，自PROSurf首次发布以来，已对其进行了多次更新，以优化自由曲面光学元件制造工艺。该工艺包括四个步骤，涉及三台OptiPro机器：用于生成自由曲面的五轴CNC光学磨床，用于将表面抛光至所需质量的五轴UFF机器，以及用于执行过程中和最终计量的UltraSurf5X非接触式计量系统。下面是对自由曲面制造工艺中所有四个阶段的详细说明，以在eSXCNC光学研磨机和UFF自由曲面抛光机上用光学玻璃生产椭圆体为例。

步骤1：自由曲面生成

要制造自由曲面光学元件，必须首先从光学毛坯中“粗加工出”表面。为此，操作人员必须首先在CAM软件（例如PROSurf）中通过导入CAD模型、方程或表面点云来定义表面（见图1）。

图1：通过导入CAD模型在PROSurf软件中定义的自由曲面ID。

定义表面后，可以通过将刀具和工艺参数输入PROSurf软件，生成快速材料去除刀具路径。启用快速材料去除功能后，PROSurf可以通过让刀具从毛坯的平坦顶部开始，粗加工出整个表面，将大块材料去除编程为指定数量的毛坯。这种方法通过跳过刀具可能切割空气的任何运动，来最大化切割效率，有效地减少循环时间并提高效率。因为PROSurf是一个离线程序，一旦生成快速材料去除刀具路径，它就会保存在与机器分开的计算机上。然后将刀具路径移动到CNC光学磨床（例如eSX）上，以创建适合粗磨的自由曲面的近净形状。

图1中的椭圆体是在eSX上使用直径12.7mm的环形刀具生成的，粒度为。

步骤2：自由曲面的粗磨/精磨

第二步涉及使用球头刀粗磨自由曲面（见图2）。导入自由曲面的CAD模型后，输入刀具和工艺参数，以生成初始粗磨刀具路径。粗糙的球头刀将从表面底部开始绘制轮廓，并朝顶部移动。当刀具在表面顶部进行最后一次粗加工时，循环完成。

表面完全粗加工后，将零件从机器中取出，在能够测量自由曲面的计量系统上进行测量，例如UltraSurf5X。使用该测量的误差图，在PROSurf中创建另一个粗磨刀具路径，并在光学研磨机上运行。重复计量驱动的校正，直到表面误差适合进行精细研磨。

图2：球头刀用于粗磨和细磨该椭球表面。加工前，表面覆盖有黑色记号。这在研磨和抛光光学元件时很常见，以确保在整个表面上一致地去除材料。

精磨加工使用具有更细粒度的相同尺寸的球头刀，并且涉及与粗磨相同的工作流程：

使用细砂刀具设置刀具路径的点分布；

输入刀具和工艺参数，以生成刀具路径；

在CNC控制中加载刀具路径，并在五轴光学磨床上运行程序；

从机器上取下初始精细研磨表面，并在UltraSurf5X上进行测量以创建误差图；

执行修正刀具路径，以产生更精密的精磨表面；

如有必要，重复计量驱动的校正运行，直到表面准备好进行抛光（见图3）。

图3：在UltraSurf5X上测量细磨椭圆体表面后的误差图。

对于该椭球表面，粗磨使用了直径为25.mm、粒度为的球头刀。在细磨加工中，使用了粒度的相同尺寸的球头刀。

步骤3：自由曲面的亚孔径抛光

对自由曲面进行精细研磨后，在采用亚孔径抛光工艺的五轴CNC机床上（例如UFF）对自由曲面进行抛光。亚孔径抛光是指抛光体与表面尺寸相比较小。UFF包括一条缠绕在压轮上的抛光材料带（抛光体），以一定速度（每分钟转速）移动。

UFF高效抛光能力的关键，是通过精确的去除功能，在整个表面上保持恒定的去除效果。使用UFF，去除功能是通过“取一个点”来创建的，这意味着在与精细研磨的自由曲面具有相同特性的牺牲部件上抛光一个点。然后使用UFF的机载计量测量该点（见图4）。随后，运行所有UFF机器的U系列抛光软件，通过根据皮带速度、车轮硬度、压缩和停留时间计算体积去除率，来计算去除函数。

图4：（a）在UFF机器上使用机载探测测量“点”零件，以计算去除函数；（b）PROSurf中的UFF刀具路径模拟，以确保最佳的抛光周期图。

然后生成使表面变灰的初始UFF刀具路径。这是通过在PROSurf中添加抛光工艺、输入UFF刀具的参数，然后输入工艺参数（包括点零件的体积去除率和抛光深度）来完成的。一旦表面被抛光并且去除了残留的磨痕，自由曲面光学元件就移动到UltraSurf5X进行测量。

椭圆体的自由曲面抛光，需要在UFF五轴抛光机上使用氧化铈带和直径20mm、硬度50的UFF轮。

步骤4：计量驱动的校正运行和最终计量

要在UFF上执行校正运行，首先在五轴UltraSurf上测量自由曲面。测量完成后，误差图可以以多种不同的文件格式从UltraSurf中导出。用户在PROSurf中创建了新的抛光过程，以区分灰度参数和校正参数。在这个过程中，校正文件被导入到PROSurf中。加载误差图后，生成修正刀具路径，并在UFF上运行。在UFF上完成第一次抛光修正后，在UltraSurf上再次测量自由曲面，以确定是否需要再次修正运行，或指定的表面不规则度已完成。如果自由曲面已达到可接受的精度水平，则可以从UltraSurf中以PDF格式导出最终计量报告。