凸非球面, 尤其是离轴凸非球面的光学检验一直是非球面加工中的难点。针对离轴凸非球面光学元件加工检验困难的问题, 研究了一种改进的Hindle方法, 解决了经典的透射式Hindle方法需要大口径辅助弯月透镜等不足。针对大口径离轴凸非球面的检测, 设计了一个特殊结构的补偿器组, 并对补偿器的加工和装调进行分析、仿真和优化, 对整个补偿检测系统进行公差分析, 并给出了相应的结果, 同时也可以把此设计推广到更大口径的离轴凸非球面镜的面形检测中去。

针对凸非球面大口径、大相对孔径、全口径检验难的问题,提出了一种利用自准校正单透镜检验凸非球面的方法。该方法通过在单透镜的凸面镀半反半透膜构成自准校正透镜,校正非球面的球差,从而实现大口径凸非球面的全口径检验。依据三级像差理论,推导了初始结构参数计算公式,介绍了检验光学系统的设计方法;对口径为240.62 mm、相对孔径为0.48的凸扁球面光学检验系统进行了模拟设计。系统优化后的残余波像差峰谷(PV)值为0.00025λ,均方根(RMS)值为0.0001λ(λ=632.8 nm)。将该方法用于工程项目中口径为287 mm、相对孔径为0.74的凸双曲面反射镜检验中,测得镜面RMS为0.021λ,验证了该方法的可行性。最后对该方法的适用性以及像差校正能力进行分析。研究结果表明:该方法可以实现任意偏心率凸非球面的全口径检验,在大口径、大相对孔径凸非球面全口径检验时具有较大优势。

为解决凸双曲面检验中因辅助反射镜的口径过大而导致其加工困难的问题,提出一种可用于检验凸双曲面反射镜的方法。在Hindle法的基础上,利用校正透镜和球面反射镜组成消像差系统,通过设计检验光路缩短了辅助反射镜与待检双曲面镜的距离。该方法不但可以减小辅助反射镜的口径,而且能够维持待检双曲面镜的有效口径不变。根据三级像差理论推导公式,设计口径为800 mm,顶点曲率半径为1800 mm,二次曲线常数为-2.25的大口径凸双曲面的检验光路。对所设计的检验光路进行分析,结果显示:其残余像差峰谷值为0.0003λ(λ=632.8 nm),均方根误差为0.0001λ。这表明该方法可以用于检验大口径、大相对口径凸双曲面,并且具有辅助面口径小、检验系统的长度较短的优点。

针对部分补偿法和子孔径拼接技术对大孔径凸非球面进行测量时, 部分补偿透镜的优化设计是关键技术之一, 基于ZEMAX软件对用于大孔径凸非球面的部分补偿透镜进行了优化设计, 以波前斜率作为优化目标, 通过直接观察弥散圆半径对全口径的光线进行优化。设计结果表明, 用结构简单的单片部分补偿透镜即可实现对大孔径凸非球面的面形测量, 在不同的子孔径区域, 部分补偿系统在理想焦面处的弥散圆最大半径均小于165 μm, 满足设计要求, 验证了结合部分补偿法和子孔径拼接技术测量大孔径凸非球面的可行性。

大口径凸非球面子孔径拼接干涉检测中的各子孔径之间为离轴形式, 各子孔径之间除了平移和倾斜变换外, 还含有旋转变换, 测量结果中不可避免地会出现参考面未对准的情况, 当进行数据拟合处理时, 需要把由未对准造成的误差去除。本文在平面检测的最小二乘拟合基础上, 对拟合算法进行了改进, 从而实现了离轴子孔径的拼接检测拟合。为了验证算法的有效性, 采用Matlab对口径为1m的大口径凸非球面的子孔径拼接检测的拟合过程进行了仿真实验, 实验结果表明, 离轴式大口径凸非球面干涉检测的子孔径拼接可采用改进后的最小二乘法拟合而成, 且拟合精度可达到0.0048λ。

为了提高离轴凸非球面反射镜的面形精度和光轴精度，研究了离轴凸非球面反射镜的加工与检测技术。首先，描述了离轴三反消像散(TMA)光学系统以及作为该光学系统次镜的离轴凸非球面反射镜的光学参数和技术指标。然后，介绍了非球面计算机控制光学表面成型(CCOS)技术及FSGJ非球面数控加工设备。最后，给出了非球面研磨阶段检测用的轮廓测量法和离轴凸非球面抛光阶段检测用的背部透射零位补偿检测法，并对背部透射零位补偿检测中离轴凸非球面反射镜光轴精度的控制技术进行了研究。检测结果表明：采用背部透射零位补偿检测法检测得到的离轴凸非球面反射镜的面形精度为0.017λ(均方根值，λ=0.632 8 μm); 用Leica经纬仪测量反射镜的光轴精度其结果达到9.4″，满足光学设计技术指标要求。

在反射光学系统中大多采用凸非球面,但凸非球面的加工和检验一直是比较困难的问题.利用透射凸二次非球面具有自消像差的能力,从三级像差理论出发,提出了凸二次非球面的透射式自准检验和反射式自准检验两种方案,解决了采用Hindle球检验口径过大的问题.以某型号φ600R-C系统的凸次镜为例,分析了加工过程中的检验精度,并和Hindle球检验方法进行比较.结果表明,凸非球面的自准检验是一种切实可行的高精度检验方法.