光学自由曲面可以实现特殊的成像效果，给光学设计提供了更大的自由度，计算机控制加工方法可以在低精度设备上加工出高精度的光学自由曲面，自由曲面的形面检测决定共最终加工精度的关键因素，本文讨论了自由曲面的形面检测方法，研究了自由曲面的坐标测量法，提出了快速自由曲面坐标测量法，并进行了验证，结果表明采用快速自由曲面测量法可以大大缩短测量时间，测量精度在测量机的精度范围内。

目的是完成长焦距大视场离轴三反空间光学系统的有效设计以及研制,进而对自由曲面光学数理模型进行描述。完成立足于自由曲面的离轴三反光学系统的设计分析。其焦距大小为4500mm,同时其成像视场角大小为11°。同时还直接对比分析了传统离轴三反光学系统跟次镜为自由曲面离轴三反光学系统关键性能。光学系统中设计中需要从根本上使用自由曲面设计的光镜,促使光学系统像差平衡能力得到基础的保证。最后选择最佳的方案,相对孔径大小为D/f=1/9.0,促使光学自由曲面离轴三反光学系统得到有效设计。

突破传统光学成像系统设计理论和方法，将自由曲面引入光学成像系统中，极大地提高了系统的成像质量和能量的传输效率;采用先进数控超精密制造技术加工自由曲面光学元件，解决了自由曲面光学元件加工的技术瓶颈。开发了自由曲面控制网格的节点矢量的精确计算方法，以及多轴超精密数控加工光学自由曲面的自动编程及其刀具轨迹仿真系统， 建立了自由曲面三维拓扑预测模型与优化系统，研发了多个自由曲面测量及评估方法，并搭建了自由曲面光学设计、加工、测试一体化的集成平台。上述核心技术有助解决国际上对复杂自由曲面光学元件在超精密加工及纳米级表面测量中的关键技术难题。

针对光学自由曲面加工的困难,将车铣复合加工应用于光学自由曲面加工中。采用正交试验极差分析法,研究了铣刀转速、进给速度、铣削深度与表面粗糙度之间的关系。试验结果表明：铣削参数对表面粗糙度的影响按照从大到小依次为工件材料、进给速度、铣削深度、铣刀转速;增大铣刀转速和进给速度,减小铣削深度,可以获得较好的加工表面。当铣刀转速为9000 r/min,进给速度为400 mm/min,铣削深度为0.06 mm,工件材料为黄铜时,车铣复合加工光学自由曲面的表面加工质量最优。