相比于传统的旋转对称光学元件,自由曲面类元件具有尺寸小、设计自由度高的特点。但是该类元件的设计和加工难度较大,限制了其在光学领域的广泛应用。近年来,单点金刚石车削被认为是一种加工光学自由曲面的有效方法,这种加工方式的优势在于能在一次装夹中成型,且往往能获得高精度的元件。渐进多焦点镜面是一种典型的光学自由曲面,被广泛用于矫正人们的视力问题,本文将以单点金刚石车削作为渐进多焦点镜面的加工手段,对其光学设计、车削原理、刀具路径规划等方面的关键技术进行研究。渐进多焦点镜面的设计方法可以分为直接法和间接法,本次研究采用直接法。在该种方法下,曲面的设计可以分为加光曲线的求解和面型构建。加光曲线是曲面子午线上的顶焦度变化曲线,该部分的设计需要保证整条曲线上的光学变化是连续的,以提供平滑的视觉效果。在阐述了加光曲线的设计原理后,本文重点分析了采用不同设计参数时曲线的变化规律。研究表明,在视远点和视近点处曲线非零导数的阶数取值较大时,曲线过渡更加平滑,且视远和视近区域的面积也相应增大。而后将子午线上的光学变化扩展到整个曲面以求解镜面矢高,并给出了设计实例。最后简述了镜面的性能评价标准,利用光学分析软件得到了设计曲面的等球面度和等柱面度变化图。在单点金刚石车削中,刀具的Z向切深与X向进给和主轴转角两个参数相关,这就导致了其轨迹生成原理有别于传统车削。为了生成适用于这种加工方式的加工数据,自由曲面的表达也通常需要进行转换。本文从单点金刚石车床的配置入手,讨论了单点金刚石车削的基本原理,并简述了坐标系转换方法。而后又讨论了金刚石刀具的几何参数选取标准,若想要最大程度的避免干涉和过切等影响曲面质量的情况发生,就需要根据曲面特征合理选择车刀的前角、后角、刀具圆弧半径和包络角。为了便于说明,以曲面曲率变化较大的正弦波面为例,详细阐述了刀具几何参数的选择方法。精确规划车削时的走刀路径是超精密加工的基本要求。单点金刚石车削的刀具路径规划原理是:首先在二维平面选取一系列离散点,再将这些点映射到三维曲面上,以求得车削轨迹。经过对比分析后,提出了一种优化的刀具轨迹生成方法,以等角度法选取离散点,并在Z向进行刀具半径补偿。仿真分析结果表明,这种规划方式在避免了刀尖位置引起的过切的基础上,同时保证了机床的主轴转动和横向进给是匀速的,避免了不必要的振动,有利于切削质量。利用Moore公司的250UPL单点金刚石车床进行车削实验,得到了粗糙度为0.087 um的渐进表面。使用FFV镜片光学分析仪测量镜面的顶焦度和像散分布,验证了光学设计和加工方式的合理性。