光学自由曲面因其表面自由度较大, 可以针对性地提供或矫正不同的轴上或轴外像差, 同时满足现代光学系统高性能、轻量化和微型化的要求, 逐渐成为现代光学工程领域的热点。自由曲面的检测技术已经成为制约其应用的最重要因素, 而目前精密光学自由曲面的检测手段仍然沿用非球面检测方法。本文回顾了近年来的自由曲面检测发展历程, 对目前主流的非接触式检测方法(微透镜阵列法, 结构光三维检测法, 相干层析术, 干涉检测法)进行了重点介绍; 总结了非球面检测方法运用到自由曲面检测中的技术难点, 同时结合这些技术难点, 展望了自由曲面检测的未来发展新趋势, 主要集中在非旋转对称像差的动态补偿、分区域像差的回程误差校准及子孔径拼接技术。

光学非球面面形的非零位检测较零位检测而言具有更强的通用性。详细分析了非球面非零位检测中回程误差的产生机理，结合校正方法将其分为可预知回程误差和不可预知回程误差两部分，分析其对最终检测结果的影响。然后介绍了实际检测中常用的回程误差校正方法的原理，通过仿真实验对比各种方法对不同非球面度、不同面形误差大小的被测非球面的校正效果，并结合方法原理和仿真结果分析了不同方法的回程误差校正能力，总结其适用范围。

提出了一种新型的非零位环形子孔径拼接干涉检测技术（NASSI）用以检测深度非球面面形误差。该方法结合了传统非零位干涉检测法与环形子孔径拼接法，采用部分零位镜替代了标准环形子孔径拼接干涉仪中的透射球面镜，产生非球面波前用以匹配被测面不同子孔径区域。该非球面波前比球面波前更加接近被测面的名义面形，使所需的子孔径数目大大减少。一方面增大了环带宽度和重叠区，提高了拼接精度；另一方面减少了各种误差累积次数。同时，配合基于系统建模的理论波前方法分别校正各个子孔径的回程误差，进一步提高了检测精度。对非球面度为25 μm的高次非球面的计算机仿真检测结果表明该方法具有很高的理论精度。针对口径101 mm的抛物面进行了实验检测，多次实验结果均与Zygo VerifireTMAsphere干涉仪检测结果一致，峰谷(PV)值误差优于λ/20，均方根(RMS)值误差优于λ/100，表明了NASSI方法的高精度与高重复性。

非球面的非零位检测较其零位检测而言具有更强的通用性，但非零位检测偏离了零位条件，所产生的回程误差给被测非球面的面形重构带来一定困难。针对非球面非零位检测中回程误差的校正与面形重构问题，提出了基于检测系统理论建模的非球面面形逆向求解技术。该方法对实际检测系统进行理论建模，设置被测面面形为变量，以实际检测到的波前作为目标函数，通过拟合优化得到的结果进而重构出被测面面形。对逆向优化重构技术进行了仿真验证、实际检测和误差分析，实际测量口径为101.0 mm的凹抛物面反射镜，检测结果与标准零位法测得结果一致，峰谷值和均方根值误差分别优于λ/20和λ/50。

介绍了非球面各加工阶段的面形检测技术及其最新进展，重点介绍了非球面精密抛光期的面形检测技术，并对其中的非零位子孔径拼接干涉检测法和部分补偿法进行了详细阐述，提出了适用于大口径、深度非球面面形检测的组合干涉法的概念。概述了近年来受到关注的自由曲面非球面的发展和检测技术现状，展望了非球面检测技术的发展趋势。