面向光学系统及光学车间现场波像差检测、长焦成像系统波像差检测等复杂易受外部干扰的应用场景，本团队提出了一种基于偏振同步相移的双光纤点衍射干涉技术，用于光学成像系统波像差的实时动态检测。该技术采用短相干长度光源与单模保偏光纤产生两个点源，这两个点源可以输出正交线偏振光；在光路中加入四分之一波片，采用微偏振阵列相机实现了基于单幅干涉图的空间同步相移。通过衰减器调节两束光的光强比，可以实现干涉条纹对比度的调节。搭建了基于该技术的实验装置，并采用该装置对5X透射式微缩投影物镜波像差进行了测量，测得其波像差均方根(RMS)为10.49 nm。在低频振动噪声环境下进行了32次重复性测量，重复测量精度为0.17 nm，实现了待测投影物镜波像差的高精度实时动态检测。实验结果验证了所提检测技术的有效性。

提出了一种用于测量高精度成像系统的双孔点衍射干涉仪,具有高光场均匀性、高可测量数值孔径、准共光路、相移元件在系统成像光路以外的优点。设计了两种测量模式,点衍射测量模式和系统误差测量模式,其中系统误差模式用于标定干涉仪的系统误差。分别搭建了双孔点衍射干涉和双光纤点衍射干涉的实验装置,完成了对设计波像差小于0.045λ RMS,5×透射式投影物镜的检测实验。实验结果表明,与双光纤点衍射干涉仪对比,双孔点衍射的波像差测量相对误差为0.07 nm RMS,且干涉图具有更加良好的光强均匀性。验证了本文检测技术的有效性。

提出一种新的基于环形子孔径扫描的锥形镜面形测量方法,该方法可实现大口径、不同锥角的锥形镜面形的通用化测量。使用微动扫描台移动锥形镜,同时测量待测锥面法线方向若干环带的相位,提取有效像素并通过插值拼接得到被测锥形镜的面形。该方法可实现锥角大于96.4°的锥形镜面形的测量,测量口径可达100 mm以上,理论测量精度达到λ/4 PV(λ为波长;PV为峰谷值)。使用ZYGO公司4英寸(1 inch=2.54 cm)的DynaFiz干涉仪对一个标称角度为140°的凸面锥形镜顶部的面形进行检测,被测样品旋转90°前后的面形检测结果与使用Taylor-Hobson公司LuphoScan轮廓仪检测结果一致,PV值相差0.54 μm,验证了该方法的可行性。

针对目前尚无高精度通用倍率测量方法与装置的问题,提出了基于双光纤点衍射干涉仪的成像系统倍率高精度测量方法。通过分析双点光源间距、CCD相机空间位置与点衍射干涉场相位Zernike多项式系数之间的定量关系,得到物面光纤间距和像面光纤像点间距的纳米级精度测量值,进而完成对倍率的高精度测量。分别进行仿真分析和实验验证,证明了所提测量方法的可行性和稳定性。结果表明,倍率测量的扩展不确定度为2.64×10 ^-6。所提出的成像系统倍率高精度测量方法具有测量精度高和测量效率高的特点,且具备高可靠性,可以用于显微物镜、光刻投影物镜等高精度成像系统倍率的超高精度测量。

如何提高子孔径拼接干涉测量精度是子孔径拼接系统的关键问题。针对一维平面子孔径拼接系统，分别采用两两拼接算法和误差均化拼接算法，进行拼接位移台定位误差、参考面面形误差和随机噪声对拼接精度影响的数值仿真与分析。仿真结果表明，对于平面拼接系统，参考面高阶误差、随机噪声对拼接精度影响较小，高阶误差的影响略大于随机噪声的影响；参考面低阶误差(二阶项误差)在拼接过程中会累积放大，是平面拼接干涉测量的主要误差来源，误差均化拼接算法不能有效控制参考面低阶误差的拼接累积误差；两两拼接算法与误差均化拼接算法得到基本相同的拼接结果。对450 mm×60 mm的平面镜进行了15个子孔径的拼接测量，去除参考面低阶误差面形前后，拼接结果与大口径干涉仪的测量结果偏差从λ/3［峰谷值(PV)，λ=632.8 nm］减小至λ/45(PV)。

考虑高精度子孔径拼接干涉测量技术对自动化拼接的要求, 提出了一种子孔径零条纹自动快速调节方法。分析了干涉条纹数量对拼接误差的影响, 分析显示: 当子孔径干涉条纹数量少于5条时, 干涉仪回程误差小于λ/50(PV值)。对子孔径拼接测量装置进行了结构优化, 提出了拼接位移台角位移偏差自动补偿方法, 实现了各个子孔径的零条纹测量, 进而控制了子孔径拼接的累积误差。对450 mm×60 mm长条镜进行了子孔径拼接干涉测量, 结果表明: 自动测量结果与手动调整零条纹测量结果在面形分布上更为一致; 但前者测量速度及测量效率都有所提高, 测量时间平均减少5 min。提出的方法不仅能完成干涉拼接测量装置的自动定位及自动快速调整, 还提高了测量重复性与检测效率。

对平面子孔径拼接累积误差的理论分析及数值仿真表明，参考镜面形的拼接重叠区域的局部斜率差和直流偏差是产生累积误差的原因。为了提高大口径平面光学元件子孔径拼接检测精度，提出一种简单有效的可以减小子孔径拼接测量累积误差的方法，该方法采用第4项和第6项泽尼克像差拟合一个假设的准参考镜面形，再从每个子孔径测量结果中减去，最后拼接合成全口径面形。〖JP2〗对450 mm×60 mm的平面镜进行了8个子孔径的拼接检测，去除准参考镜面形前后，拼接测量结果与Zygo公司24英寸(600 mm)口径干涉仪检测结果的偏差峰谷（PV）值从λ/7减小至λ/100。所拟合的准参考镜面形误差为0.02λ（PV值），与标准镜的面形误差为同一量级，其对每个子孔径测量结果的影响可以忽略。实验结果表明，本文方法能够有效控制拼接累积误差，提高拼接检测精度

干涉仪参考镜面形离焦误差难以精确标定，是导致拼接累积效应、制约平面子孔径拼接系统检测精度的主要因素。推导了参考镜离焦与拼接累积误差、拼接次数间的定量表达式，基于该表达式在拼接过程中标定并去除参考镜离焦误差，降低拼接累积误差。对450 mm×60 mm 的平面镜进行了8个子孔径的拼接检测，与大口径干涉仪检测结果比对，去除参考面离焦误差前后拼接测量误差峰谷(PV)值从λ/10减小至λ/30，有效提高了拼接测量精度。结合绝对检验技术标定参考镜高阶面形误差，验证了离焦是引起拼接误差累积的主要因素，消除参考镜高阶面形误差并不能显著提高拼接检测精度。