提出一种基于计算全息元件(CGH)的折衍混合补偿检测光路,通过CGH和消球差透镜组合实现离轴子镜的缩焦零位检测。该方法使得检测光路长度减少至CGH直接检测的1/4至1/8,同时提高了小焦比子镜的调节灵敏度,将大离轴量子镜的干涉图长宽畸变比率由12.5优化至1.25。保持光路各器件位置不动,通过更换相应的计算全息片,还可实现不同离轴量子镜的批量高效检测。应用该方法完成直径为330 mm的离轴试验镜的加工与检测,测试结果面形均方根(RMS)值为0.0290λ (λ为波长)。通过标准球面镜对消球差透镜进行标定,RMS值降至0.0267λ。

离轴非球面作为非球面的一部分, 是空间光学系统、天文学和高精度测量系统不可或缺的光学器件。针对空间光学对离轴非球面光学元件制造技术的重大需求, 开展了离轴非球面反射镜的精密铣磨加工技术研究。分析了五轴联动范成法铣磨离轴非球面的原理, 将离轴非球面所在的同轴母镜离散为一系列不同半径的球面环带, 将工件坐标系建立在待加工离轴非球面的同轴母镜中心位置, 使用杯形砂轮依次范成离轴镜所在的同轴母镜上的环带, 由众多的球面环带拼接出离轴非球面。对Φ100mm直径离轴抛物镜进行工艺试验, 环带宽度7.28mm, 一次加工面形精度PV达到7μm, RMS达0.622μm, 加工用时7min。研究表明该方法具有可行性, 为离轴非球面快速铣磨提供了有效的解决方案。

离轴非球面广泛应用于现代光学系统中,一般需要特定的光学辅助元件对其进行检测,为此提出一种逆向迭代非零检测法。该方法可以不借助光学辅助元件,适用于检测同一类的离轴非球面。首先设计检测光路,并采用逆向迭代法去除非零误差。然后对系统误差、调整误差和随机误差等进行分析补偿以及各项误差的处理方法。最后通过仿真模拟,逆向迭代求解离轴非球面的面形方均根值为0.133λ,与仿真模拟的实际面形一致,仿真拟合的残差在10 -5λ以内。逆向迭代非零检测法是针对离轴非球面一种高精度和通用型的非零检测方法。

研究了五轴机床铣磨高次离轴非球面技术, 分析了B-C双转台五轴机床的运动学原理, 得到了刀轴矢量与B、C轴转角的数学映射, 建立了刀具轨迹算法模型。针对高陡度高次离轴非球面矢高变化率太大等问题, 对其进行坐标系变换使其近轴端和远轴端等高, 将离轴非球面由母镜坐标系位置转化到子镜坐标系位置, 坐标变换后高次离轴非球面在子镜坐标系下的方程求解困难, 提出一种新的求解旋转后高次离轴非球面坐标的方法, 最后通过Matlab仿真和实例分析, 利用五轴机床加工等高处理的高次离轴非球面, 经三坐标测量仪测量, 结果为面型PV值5.92μm, RMS值为0.893μm, 验证了刀具轨迹算法和坐标变换算法的正确性。

采用635 nm波长半导体可见光激光和10.5 μm波长半导体红外激光作为干涉光源, 设计了635 nm和10.5 μm 双波段共光路透射式红外干涉仪, 实现了可见光波段干涉测试与红外光波段干涉测试共光路, 且双光路共用可见光对准。双波段共用机械式相移系统, 并采用635 nm测试光分段驻点标定10.5 μm测试时相移器的长行程误差。研制的双波长红外干涉仪系统的红外测试精度达到PV优于0.05λ, RMS优于0.02λ, 系统重复性RMS优于0.001λ。采用该干涉仪测试口径为400 mm×400 mm, 离轴量为800 mm的离轴非球面, 得到边缘最大偏差值为21.9 μm, 能够实现大口径离轴非球面从粗磨到精磨高精度加工面形的全过程干涉测试。

基于付科法的离轴非球面波面再现检测技术, 通过对付科检测过程的数学分析, 建立了离轴非球面波面再现的数学模型, 提出了波面整合算法, 通过对两幅阴影图灰度值积分、去倾斜及波面整合等数据处理再现出被检离轴非球面的波面误差.在被检离轴非球面两个方向的弥散斑分别为0.152 mm和0.284 mm时, 干涉检测得到其面形误差峰谷值为1.110 μm、均方根值为0.194 μm, 且两种检测方法的波面轮廓相一致.实验结果验证了基于付科法的离轴非球面再现技术的正确性, 可以应用于指导离轴非球面在细磨粗抛阶段的加工并且实现与精抛光阶段干涉检测的有效衔接.

光学自由曲面元件如离轴非球面等在现代光学系统中起到了越来越重要的作用。计算全息元件(CGH)可产生任意形状的波前，能够很好地应用在光学自由曲面的零位补偿干涉测量中。针对一离轴椭球面为测量样品，以光学计量领域比较成熟的Offner补偿器法，测量离轴非球面母镜的面形偏差，进而获得离轴椭球面的面形偏差；再将离轴椭球面通过旋转平移，作为自由曲面元件，在平面基板上设计CGH对其进行零位补偿测量，研究零位补偿CGH的误差传递数据。通过主要原理误差分析与计算，在光学熔石英平面基底上制作零位补偿CGH，测量不确定度达到λ/10[峰谷(PV)值, λ=0 .6328 μm]，满足光学自由曲面元件的高精度检测要求。

为了标定利用补偿器检测非球面的精度，提出采用倾斜计算全息法（CGH）校验补偿器，并将补偿器精度提高。介绍补偿器检测离轴非球面基本原理，同时结合工程实例，设计补偿器检测860 mm×600 mm 的离轴高次非球面，通过加工与装配，仿真分析出装配后的补偿器精度为2.91 nm [均方根(RMS)值]。设计了利用倾斜式的计算全息板检测该补偿器的实验，并分析出利用该CGH 校验补偿器的精度为1.79 nm(RMS 值)。结果表明，受限于补偿器光学元件加工和组装精度，其检测精度未知，通过对补偿器误差进行检测与标定，可以确定利用该补偿器检测非球面的可行性并将其精度提高。

介绍了一种轻质矩形离轴非球面反射镜的加工与检测方法。针对矩形离轴非球面镜这种直角效应的加工难点, 提出双摆式加工工艺, 并设计改造双摆式加工机床使该方法得以实现。采用该方法加工完成某多光谱仪光学系统中4块矩形离轴非球面反射镜（其中最大尺寸为266 mm×110 mm）, 最终加工得到的面形精度均优于0.020λ（RMS, @633 mm）的设计指标要求。加工结果表明, 用该加工技术既提高了光学加工效率又利于得到较为平滑的面形质量。