随着现代光电信息技术的快速发展,应用于天文、航空、激光、医疗及通讯等领域的光学元件的功能发生了质的飞跃。在折反射光学系统中,采用复杂曲面光学元件较传统的平面、球面光学元件在减少光学元件数量、简化光学系统结构、提高设计自由度、实现特殊光学性能等方面具有独特的优势,已逐渐成为光学应用领域的主要发展趋势之一。玻璃模压成型技术是实现这类元件高效率、高品质、低成本、批量化制造最具前景的技术之一,目前该技术已在高精度非球面批量化生产方面得到了广泛应用,但该技术还未能有效地用于制造复杂光学曲面,主要的制约因素在于复杂光学曲面玻璃模压成型用高精度模具的制造技术瓶颈。本课题针对复杂光学曲面元件玻璃模压成型用模具的超精密磨削加工关键技术进行系统研究,从超精密磨削材料去除机理到复杂光学曲面磨削方法与工程化应用进行了深入探索,具体研究内容包括:(1)研究脆性材料超精密磨削过程中材料塑性域去除机理。基于分子动力学建立了针对典型单晶材料硅和多晶材料碳化钨的单磨粒单次和多次划擦模型,仿真分析和实验研究揭示了超精密磨削过程中材料在塑性域的材料变形机理包括划擦、耕犁、推挤、剪切、及往复疲劳。(2)基于多轴联动超精密机床,针对微小非球面和柱状非球面的面形特性,研究了相应的磨削方法;针对非球面微透镜阵列和光学自由曲面,分别提出了基于虚拟轴和基于慢刀伺服的超精密磨削方法;提出了一种圆弧轮廓砂轮原位精密修整方法;并对上述面形超精密磨削的砂轮路径规划进行了研究。(3)研究典型复杂光学曲面超精密磨削加工误差对面形精度影响,提出基于Z-Buffer和多体系统相结合的加工表面成形的误差传递机制,通过对超环面和鞍形面光学元件的超精密磨削加工误差的仿真分析,获得加工误差与面形误差的映射规律,指导实际加工中系统误差的抑制与消除。(4)对典型复杂曲面光学元件进行了系统的磨削实验研究,并对轮廓可补偿的复杂光学曲面展开了原位面形误差测量及补偿。磨削加工后的玻璃模压成型用光学模具获得了亚微米级面形精度和纳米级表面粗糙度,并进行了相应的模压成型实验,模压得到的复杂光学曲面透镜达到了工业应用的实际需求。