利用有限远零位补偿方法检验非球面时,装调环节多,检验精度低。提出了无限远前后零位补偿结合的非球面检验系统,通过在待检镜球心前后位置处各放置一个补偿透镜,使像差在前后区间具有相关性。基于像差理论,对两片补偿透镜的光学参数进行了推导求解,分析了初始参量与归一化数据的关系,再利用光学软件对计算结果进行缩放与优化。在不同的前零位补偿透镜放大率下,设计了四个具有不同曲率半径的凹抛物面镜,并给出了非球面镜的最大口径和最大相对孔径。采用具有1/10 口径比的补偿透镜,实现了口径为3.7 m、相对孔径为1/1.2的非球面镜面形检验,面形波前误差峰谷(PV)值优于0.1λ(λ=633 nm)。容差分析结果证明了检验系统的可行性。针对口径为500 mm、相对孔径为1/1的抛物面镜开展了原理实验,从可检验的最大非球面镜口径和实施难度方面对所提方法与常用方案进行了比较,前后零位补偿结合系统的设计面形波前误差PV值为0.061λ,面形波前误差均方根(RMS)值为0.009λ,实现了面形波前误差RMS值优于λ/40的检测精度。前后零位补偿结合的检验系统适用于具有4 m量级大口径、大相对孔径的非球面镜的高精度面形检测。

Ф1.3 m凹椭球面反射镜是某遥感器光学系统的主镜, 其定心精度要求苛刻。由于该反射镜口径大、顶点曲率半径长, 利用定心仪法进行定心的实现难度大, 精度低。通过分析非球面的两种偏心之间的补偿现象, 可知激光跟踪仪接触测量定心的精度仅为0.15°。三坐标仪接触测量定心的精度能够达到0.005°, 不过其量程受限, 且在光学加工时的反复搬运会造成不便。利用Offner零位补偿检验光路进行干涉法定心, 干涉法将反射镜偏心转换为检测系统波前的初级像差, 同样可以达到0.005°的精度。该检测方法的误差来源主要是干涉仪焦点位置误差, 是系统误差, 可以通过旋转反射镜进行多次定心测量的方法予以消除。完成了该反射镜的定心, 其结果与三坐标仪的测量结果对比, 两种偏心的最大偏差仅为0.023 mm和0.002°。实现了大口径凹非球面反射镜的原位定心测量。

在大口径、快焦比非球面的补偿检验中，入射光线在短距离内发生大角度急剧折转，导致干涉仪面形检验结果图像产生非线性畸变，严重影响了数控小磨盘抛光的位置精度和误差去除效率。为了校正离轴非球面在补偿检验中产生的图像畸变，提出了一种校正非线性畸变图像的方法，通过同心环带法确定畸变中心位置并利用光线追迹建立被检镜到干涉图的映射关系。针对某一光学系统的520 mm×250 mm的离轴抛物面主镜进行了畸变图像的校正，校正结果面形与工件面形的位置偏差降到1 mm以下，满足小磨盘抛光的工作要求。

为达到高分辨率以及像面照度要求，大口径非球面反射镜在空间红外系统中被广泛使用。设计了针对口径 550 mm、F/1.2非球面的补偿器，基于三级像差理论分析计算了补偿器的初始结构参数。利用 ZEMAX软件对补偿器进行了优化设计，最终所得补偿器的设计结果满足非球面检验要求。对补偿器结构参数进行了灵敏度及公差分析，结果表明该补偿器可用于实际加工检验。

介绍一块Ф1300mmULE材料非球面反射镜的加工与检测方法。采用非球面超声铣磨、机器人研抛等多个工序组合加工技术完成了非球面反射镜的加工。在非球面检测中, 采用大口径三坐标测量的方法进行了研磨阶段的面形检测, 通过Z向滤波的方法对面形拟合过程中的噪点误差进行了处理, 将研磨阶段的面形精度提高至5μm PV值。在干涉仪测量阶段, 采用气囊支撑方法对反射镜的重力误差进行了卸载, 通过非线性误差矫正的方法去除了零位补偿检测所带来的非线性误差, 反射镜的最终精度达到0.016λRMS。试验结果表明, 大口径非球面反射镜各项技术指标均满足设计要求, 所用工艺方法适用于加工更大口径的非球面反射镜及其他类型的大口径非球面光学元件。

折反射式零位补偿检验是一种综合了Offner折射式和Maksutov反射式补偿检验优点的凹非球面检验 方法,补偿能力强,检测光路紧凑。大口径和大相对孔径非球面检验是制约其加工质量提高的难题,针对口径为4 m、 偏心率为1、顶点曲率半径为16 m的大口径凹抛物面反射镜,设计了折反射式零位补偿器。基于三级像差理论对补偿器的初始结构进行了 规划和计算,采用Zemax软件对初始结构参数进行了优化,得出了补偿器的最终结构,检验光路轴向尺寸约12 m,系统优化后剩余波相差为0.005λ。设计和仿真结果表明,这种折反射式零位补偿器对大口径凹非球 面镜的加工检测是非常有利的。

介绍了Ф420 mm熔石英高次非球面透镜的加工与检测方法。对现有数控加工工艺进行了优化, 通过分工序加工方式, 依次采用机器人研磨、抛光和离子束修形技术完成了透镜的加工。进行非球面透镜检测时, 考虑透镜的凹面为球面, 利用球面波干涉仪对其面形进行了直接检测, 剔除干涉仪标准镜镜头参考面误差后, 透镜凹面的精度达到0.011λ-RMS; 针对透镜的凸面为高次非球面, 采用基于背后反射自准法的零位补偿技术对其进行面形检测, 其精度达到0.013λ-RMS。最后, 采用一块高精度标准球面镜对加工后透镜的透射波前进行了自消球差检测, 得到其波前误差为0.013λ-RMS。试验结果表明, 非球面透镜各项技术指标均满足设计要求。所述工艺方法亦适用于更大口径的非球面透镜及其他类型非球面光学元件的高精度加工.

为了实现大口径凸非球面的高准确度检测, 提出了凸非球面背向零位补偿检验方法.该方法在非球面背面引入辅助球面并在光路中加入球面补偿透镜来达到零位补偿检验.辅助球面既可以使凸非球面等效为凹非球面, 还可以补偿部分非球面法线像差.依据三级像差理论, 对辅助球面曲率半径及补偿透镜结构参量进行初始结构求解, 并编写了求解初始结构软件, 再利用光学设计软件对初始结构进行优化, 优化结果满足设计要求, 使凸非球面背向零位补偿检验理论化.在实际应用中, 以Φ120 mm凸非球面为例设计了凸非球面背向零位补偿检测系统, 检测系统设计的剩余波像差PV为0.024λ、RMS为0.007λ.利用此检测方法加工完成后的凸非球面的面形准确度优于λ／40.

为了克服大口径大偏量非球面面形测量的困难，将光学干涉技术、零位补偿技术、哈特曼波前探测技术和子孔径拼接技术融合在一起，提出了大口径非球面复合检验技术。对该方法的基本原理和具体实现过程进行了分析和研究。当非球面研磨完成后，搭建零位补偿干涉光路，并使光路转折，利用动态范围很大的哈特曼波前传感器对大口径非球面反射镜进行多个子孔径相位数据的测定，并通过子孔径拼接算法求解得到非球面整个口径的面形误差分布。当非球面面形误差的峰谷(PV)值小于5λ（λ=632.8 nm）时，利用复合检测技术对一大口径非球面进行了检验，两种方法得到的全口径面形误差分布的PV值和均方根(RMS)误差值的偏差仅为0.11λ和0.004λ，根据复合测试结果指导非球面后续加工，最终非球面全口径面形误差的RMS值优于λ/50。

提出了在非球面检验中以反射镜补偿法线像差的方法，用于大口径凸非球面透镜的检测，克服了在检测大口径非球面透镜时一般需要采用多片透镜补偿的困难，降低了设计难度和装调难度,节约了加工成本。设计并研制了大口径凸非球面透镜检测系统，对误差来源进行了分析并给出消除方法。对直径Φ270 mm的凸非球面透镜进行检测，测得的非球面面形误差峰谷(PV)值与均方根(RMS)值分别为 0.585λ和0.083λ。该方法为大口径非球面透镜检测提供了技术参考，能够适用于大口径透镜粗抛光阶段中的面形检测。