为了确定摆臂式轮廓检测大口径离轴非球面采用不同扫描线数时系统检测误差的敏感性, 文中提出采用蒙特卡洛方法, 建立了仿真分析的模型。对母线条数分别为8~120条的模式进行模拟检测, 对系统噪声引入的面形误差进行Zernike多项式项拟合, 统计分析得母线条数为8~39条时, 系统噪声引入的低阶项检测误差随母线条数的增加而迅速降低; 母线条数为40~70条时, 引入低阶项检测误差降低缓慢; 71~120条时, 引入的低阶项检测误差几乎保持不变。结合实例, 对一口径1 500 mm的离轴非球面反射镜进行实验, 分别采用36条、72条和96条母线进行面形检测。36条母线检测误差相对较大, 检测结果为7.73 μm PV和0.68 μm RMS;72条母线和96条母线检测结果十分接近, 分别为5.755 μm PV, 0.568 μm RMS和 5.612 μm PV, 0.569 μm RMS。验证了仿真分析结果的准确性, 为摆臂式轮廓检测大口径离轴非球面中母线条数的优化选择提供了理论指导。

对大口径离轴非球面进行零位补偿检测时, 投影畸变过于严重的区域会由于干涉条纹密度过大而无法检测, 从而使加工难以进行。针对此问题, 本文采用相对畸变参数定量描述投影畸变, 设计了自由度更高、补偿能力更强的计算全息图(CGH)检测方法。该方法在CGH设计阶段考虑投影畸变分布, 选择合适的光路结构使得所有区域的投影畸变均较小。根据此方法, 对直径为1.45 m的离轴非球面设计了比零位补偿器畸变小的CGH。 检测实验显示: 使用设计的CGH可检测非球面的全口径面形误差, 验证了在CGH设计阶段考虑投影畸变的正确性与实用性, 表明该方法可解决加工过程中零位补偿器由于投影畸变导致部分区域不能检测的问题。以CGH的检测结果为指导, 目前该1.45 m直径的离轴非球面加工精度已达0.374λ PV, 0.023λ RMS。

对离轴非球面在光学加工和后期装调阶段的光学检测进行了研究, 分析了检测过程中调整误差对波前畸变的影响。以加工半径为10 000 mm、二次曲面系数为-1、口径为500 mm、离轴量为425 mm的离轴抛物面为例, 建立了各个调整参数对波前畸变影响的物理模型及数学模型, 调整误差主要包括俯仰与高低、偏摆与离轴量及绕其子光轴旋转3组参数。应用matlab软件对调整误差对波前畸变的影响进行了仿真分析, 对相应的仿真结果进行了实验验证。结果显示, 仿真与实验结果一致性很好, 证明了理论模型的正确性。分析得到的相应结论适用于所有离轴非球面镜的调整误差分析。

为了实现离轴非球面高精度定位、光路对准及面形检验，提出了一种使用计算全息图(CGH)技术实现离轴非球面高精度光学检测的方法。将被检非球面倾斜平移后作为轴上自由曲面进行CGH补偿检测设计, 从而减小了检测光路的相对口径和CGH所需补偿像差，提高了CGH检测精度。使用自行开发的CGH专用设计计算软件，设计完成的CGH同时具有非球面检验、检测光路对准、被检非球面基准定位等多项功能。采用该方法设计(设计精度优于λ/10 000 rms)并制作CGH对面形精度优于λ/50 rms的离轴非球面进行了检测，误差分析表明，其检测精度优于λ/100，与传统null-lens方法的检测结果精确吻合。实验表明，采用该CGH可同时实现离轴非球面位置高精度定位、CGH与干涉仪对准以及离轴非球面高精度面形检验。