针对米级大口径非球面,从平面波Offner零位补偿器检验光路的三级像差理论公式出发,推导计算了补偿器与被检镜面口径比不同时的光学规化参数,经过光学软件仿真,获取不同口径比下6种曲率半径非球面的最大口径和最大相对孔径。结果表明随着口径比的减小,平面波补偿检验非球面的相对孔径能力随之减弱,对于不同相对孔径的非球面检验,可选择最小口径比来达到检测要求。针对口径为720 mm的凹非球面镜检验,基于工程可行性,采用口径比α1=0.2的Offner补偿器,获得方均根(RMS)为0.0033λ的设计,实际检验测量中RMS为0.019λ,符合对该非球面的检验要求。

针对目前检验方法制约大口径、大相对孔径凹非球面反射镜的应用,提出一种基于贴合双透镜的大口径、大相对孔径凹非球面检验方法。与Offner检验方法不同,检验光路中的透镜在反射前后的光路中分别作为校正透镜和自准镜。根据三级像差理论推导初始结构,给出利用单透镜和贴合双透镜检验凹抛物面的残余像差曲线图,并对其进行分析。实验结果表明,自准校正透镜位于共轭后点前的检验方法可以用于大口径、大相对孔径凹非球面反射镜的检验。所提方法从加工、装配和使用等方面考虑更简单方便,为凹非球面检验提供新的思路,并且为利用三透镜检验更大口径和相对孔径的凹非球面打下基础。

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。

空间光调制器(SLM)可以在电驱动等信号控制下, 实时调节振幅、相位、偏振态等信息, 近年来已被尝试用于代替计算全息(CGH)板实现非球面检测。SLM像素尺寸在3.5~20 μm, 远大于CGH板刻蚀分辨率, 使得SLM的相位调制量在像素尺度离散化, 与理想的连续相位存在误差, 带来检测精度的降低。因此, 有必要评估SLM像素尺寸对检测精度的影响, 从而选择合适像素尺寸的SLM。基于菲涅耳衍射原理以及快速傅里叶变换算法, 仿真波面经SLM调制并传播到待测表面的过程, 并探究待测面处生成波面精度与SLM像素尺寸大小之间的关系。对多组波面进行仿真并分析波面误差分布发现, SLM生成补偿波面误差与SLM像素尺寸所能表示的最大频率相关, 检测时需保证SLM像素尺寸所能表示的最大频率大于补偿波面频率最大值。

为了精确地检测非旋转对称的非球面面形质量,将衍射补偿元件计算全息图(CGH)应用到非球面透射式检测光学系统中。利用计算全息图(CGH)可以生成任意形状的波前这一特点,对由三次面形和双曲面叠加而成的集成式波前编码器件进行检测,详细地给出了从检测系统的设计、计算全息图数学模型的建立,到CGH的制作和制作误差分析的过程。以口径33.84 mm的波前编码器件为例,检测系统的模拟残余波像差的峰谷值是0.037 3λ,均方根为0.006 3λ。利用激光直写技术,加工制作了口径为56 mm的计算全息板,计算全息图的制作误差为0.086λ,验证了计算全息图在检测自由曲面中的可行性。

为实现高精度非球面的面形误差检测，对激光直写计算全息图（CGH）的关键技术进行研究。以获得最小线宽偏差为目的，通过基础工艺实验，探究离焦量对光刻胶上线宽的影响；研究湿法刻蚀过程对不同线宽引入的展宽规律；分析线宽误差与位置误差关系，得到CGH 不同周期位置误差引入的波前误差。根据实验结果，制作最小线宽1.8 mm，直径80 mm 的振幅型CGH。检测结果表明，波前误差均方根值为0.011l，达到l/100 量级，可用于高精度非球面的检测。

为了校正利用计算全息图(CGH)补偿检测离轴非球面引入的二维投影畸变，提出了基于检测光路仿射变换的投影畸变校正方法。通过追迹检测光路求解畸变映射函数，借助镜面特征点实现畸变校正结果与镜面的高精度对准，利用校验特征点实现校正误差检验。将该技术实际应用于某项目800 mm×600 mm离轴非球面主镜检测和加工，检测结果与工件面形位置误差由校正前80 mm降低至1 mm以下。根据畸变校正后的数据，对该镜采用离子束抛光，最终面形精度[用均方根(RMS)误差表示]达到0.0162λ(λ=0.6328 μm)。

针对用计算全息图(CGH)对非球面进行检测时出现的非对称畸变, 分析了3种基本的畸变模型, 提出了一种有效的校正非对称畸变的方法。该方法采用较少的拟合参数即可实现对非对称畸变的精确校正, 从而可以较大程度地减少畸变校正所需要的数据点对, 避免过度拟合效应。通过光学仿真模拟分析了整个干涉仪系统的畸变, 并利用以上方法对畸变进行了校正。仿真结果显示, 畸变校正的相对残差小于0.2%。最后, 设计并制作了处于离轴工作状态的CGH, 并用此CGH对非球面进行了检测。利用上述畸变校正方法对测量的非球面面形进行校正, 并用校正之后的结果进行加工迭代, 最终非球面面形的收敛精度达到1.8 nm(RMS), 得到的结果验证了提出的畸变校正方法的可靠性。

为实现非球面元件表面面形的高精度检测，提出并设计了一种兼具相位补偿、装调计算全息图(CGH)和待测非球面的多功能计算全息图。多功能计算全息图由主全息、对准全息和基准全息3部分组成。介绍了各部分的工作原理及其设计方法，比较了辅助全息装调方法和普通装调方法的优劣，并给出了检测Φ187.72 mm、F数为1.71的凹非球面镜的计算全息设计实例，分析了影响全息检测精度的各项误差源，计算得出所设计的计算全息的检测精度可达4.75 nm，实现了非球面元件面形的高精度检测。