随着精密加工技术及光学设计水平的进步,对光学自由曲面元件的功能与性能的要求也日趋多样化,其产品结构越来越复杂,往往具有非旋转对称性甚至是复杂不规则结构。对于一些球面和非球面光学透镜,可采用基于FTS技术的2轴精密车床进行加工;然而,针对结构较复杂的自由曲面,采用精密铣削则更具有优势。目前,对光学自由曲面的研究主要集中在精密车削,涉及自由曲面精密铣削的研究还较少。因此,有必要对自由曲面精密铣削的加工与形面误差评价进行研究。精密铣削过程中的刀具轨迹规划直接关系到自由曲面的加工精度。基于弓高误差和行距残留高度误差的控制,开发了自由曲面精密铣削刀具轨迹规划算法;并基于激光对刀仪,对参与曲面铣削精加工的球头刀实际半径值进行了精确测量。通过实验得到了具有镜面效果的自由曲面。结合在机检测和镜像补偿模型,采用“加工-检测-再加工-再检测”模式对加工过程中由切削力和磨损等因素引起的加工误差进行补偿加工。建立了精密在机检测测头标定模型并对测头半径补偿进行了研究;基于镜像补偿模型,提出了考虑补偿光顺性的自由曲面精密铣削补偿方法,实验证明该方法在保证自由曲面镜面效果的同时,可将加工误差补偿到满足精密铣削的要求。针对精密铣削自由曲面提出了面形误差评价算法。该算法分为测量曲面初始匹配区域识别,曲面粗匹配以及曲面精匹配三部分;基于Z-map模型的改进,使用二维矩阵描述自由曲面形状特征信息,并利用该二维矩阵识别测量曲面在设计曲面上的初始匹配区域;由曲面粗匹配给精匹配提供良好的初始匹配位置后,ICP算法与遗传算法被用于曲面精匹配;使用Talysurf PGI 830表面轮廓仪对自由曲面进行检测,面形误差评价结果证明了评价算法的有效性以及面形精度达到了精密铣削的要求。