位移检测技术是几何量精密测量的基础, 在当代精密制造领域应用广泛。光谱共焦位移测量技术具有对环境杂散光、被测物倾斜、材料类型不敏感, 测量频率高以及分辨率高等优点, 可以检测位移量、表面粗糙度、三维形貌以及单层或多层透明材料的厚度, 在精密位移测量领域中占据重要地位。近年来, 利用衍射光学元件提高光学系统性能的光谱共焦测量技术被广泛研究。文章综述了基于衍射色散原理的光谱共焦位移测量技术的研究进展。首先, 介绍了光谱共焦位移测量原理和衍射光学元件的色散特性; 其次, 阐述了基于衍射色散原理的光谱共焦位移测量技术的发展历史及研究进展;最后展望了该技术的发展趋势。

为指导高精度大型止推面加工，需要对其平面度进行面采样测试。本文建立了结构光检测模型：激光器投射平行条纹到被测表面，CCD 相机接收包含条纹的图像。被测面理想的情况下，CCD 相机接收到直条纹；当被测面存在凹凸时，条纹发生扭曲，扭曲量和高度存在比例关系。论文推导了结构光检测一体式装置的数学模型，分析了入射角对测量精度的影响。实验结果表明，入射角越大，系统分辨力越高；当入射角度继续增大时，检测精度有望达到要求，然而图像畸变严重，处理困难。论文提出改进分体式检测装置，CCD 相机固定在待测面正上方，线激光阵列以相同角度入射。在入射角为85°时，对400 mm×400 mm 的平面检测时，采用4 096 pixel×4 096 pixel的CCD，借助亚像素技术，结构光检测系统分辨力可以达到亚微米级别。

光学散射会对光学系统造成系统损耗, 成像质量下降等危害。针对高反镜的散射光在光学系统中的影响, 本文提出了使用总积分散射法来测量散射光总量, 得到散射光在总反射光中所占的比值。该方法运用总积分散射理论, 并结合积分球的光度特性, 搭建了比较法总积分散射仪, 测试了镀银膜的高反镜的总积分散射。实验结果表明, 该装置测得的总积分散射值与用德国汉诺威激光中心生产的总积分散射仪得到的测量结果非常接近, 均在 300 ppm~500 ppm之间, 验证了该装置的可行性。

目前总积分散射测量装置都是单波长的, 不能测量复色光源的总积分散射量。先建立了一个积分球模型, 并对这个积分球模型的光源和材料进行仿真分析。光源的分析包括波长和光源面积, 材料的分析验证了该积分球模型和设定光路的可行性, 并最终根据仿真的结果对实际实验进行有效指导, 搭建了一套基于积分球的单波长总散射量测量装置, 选取了650 nm、520 nm和450 nm三个波长的半导体激光光源进行实验, 得到了多组各个不同波长下的TIS值。通过对实验结果的分析, 发现TIS值与波长的平方成反比关系, 符合总积分散射理论中TIS与波长的关系。

从圆柱度误差的测量要求和圆柱度误差评定搜索算法两个方面研究了提高测量精度的方法。为了减小圆柱度误差测量中的工件倾斜误差, 设计并分析了两点垂直布局的调平方法; 根据工件轴线的方向余弦, 计算得到了两点调整的高度值, 克服了手动调整存在的问题, 实现了工件快速精确调平并提高了工件圆柱度的测量精度。由于圆柱度误差评定是对满足最小条件的圆柱轴线的搜索, 文中针对Nelder-Mead单纯形法的收敛精度依赖于初始解和收敛速度较慢, 提出了拟牛顿法和Nelder-Mead单纯形法相结合的联合算法来实现全局最优解的快速准确搜索。对经典测试函数的Matlab仿真及实际测量数据的应用表明, 该联合算法能有效地提高收敛速度和收敛精度, 其收敛速度提高了50%, 收敛精度提高了1倍, 从而提高了工件圆柱度误差的测量精度。

基于哈特曼波前传感器检测原理, 结合图像清晰度定焦技术, 提出了一种测量微透镜阵列焦距的方法, 介绍了测量系统的组成和原理。首先利用平行光管的出射平面波前在被测微透镜阵列焦面上成像, 利用标准透镜产生的球面波前在微透镜阵列焦面附近成像。然后,根据平面波前和球面波前经过微透镜阵列成像时微透镜阵列焦面上光斑的偏移量, 计算相应的微透镜阵列子单元的焦距。最后, 基于图像清晰度定焦技术, 通过不确定度分析和实验测量验证了该方法检测微透镜阵列焦距的可行性。测量结果表明, 该方法对微透镜阵列焦距检测精度可达到3%; 同时, 一次测量可完成微透镜阵列多个子单元的焦距标定。相对于传统的检测方法, 该方法具有较高的检测精度和效率。

提出了使用三坐标测量机(CMM)对离轴非球面镜进行测量的方法。通过CMM对离轴非球面镜镜面进行自动测量, 获得实际面形的三维坐标数据, 并与理论离轴非球面镜模型进行分析比较, 得到实际镜面的面形误差值和均方根值；依据CMM的测量结果, 完成了对离轴非球面镜精磨阶段的加工, 解决了目前离轴非球面镜精磨阶段难于检测, 以至于无法加工的问题。随着离轴非球面镜顺利进入抛光阶段, 使用CMM实现了离轴非球面镜精磨检测与抛光检测的无缝对接。

为了实现光学玻璃折射率均匀性的高精度(0.2×10-6)检测，测量环境温度引入的测量不确定度应小于0.05×10-6。对测量过程中温度引入的不确定度进行了详细分析，总结了温度引起的5种误差源，对各种误差源进行了不确定度分析。结果表明，当测量腔中空气、贴置板、折射率液及被测件的径向温差不超过±0.01 ℃时，温度引起的测量不确定度为0.031×10-6，满足精度要求。为实验室环境的改造提出了建议，并为高精度玻璃折射率均匀性测量提供了分析数据。

针对干涉仪高精度检测的需求, 本文提出了旋转法标定干涉仪系统误差, 实现绝对检测, 从而提高检测精度。该方法根据 Zernike多项式的性质, 可以通过 N次平分旋转和一次旋转法两种方法实现。本文对这两种方法分别做了详细的理论推导, 并且给出具体实验结果与误差分析。实验结果表明, 两种方法的测量结果基本一致, 差值的 PV值为 0.006 λ, RMS值为 0.001 λ。误差分析结果表明, 一次旋转法的旋转误差小于 N次平分法, 因此一次旋转法是一种精度更高的方法。

基于光栅衍射的转角法无需转动光管，与传统的转角法相比具有较高的测量效率。而微透镜阵列元件子单元数众多，利用该方法进行测量时，光栅的各级衍射斑可能发生干扰，影响测量精度甚至无法进行测量。利用Matlab软件模拟分析测量过程中子单元光栅0级和±1级衍射光斑间的干扰，通过分析测量光源波长、光栅周期、微透镜阵列的子孔径和焦距，选取合理的测量光源和光栅避免干扰，从而完成对微透镜阵列焦距的测量。测量结果表明，该方法具有较高的测量精度和测量效率，可用于单元数较多、F数较小的微透镜阵列焦距测量。