随着光学非球面行业的快速发展,生产面形精度优于0.1 μm的非球面镜片产品已成为趋势。在非球面镜片的面形检测中,由于存在机械系统误差,被检测工件的坐标存在6个自由度的偏差,这将直接影响非球面的面形测量精度。因此,针对检测系统,需要开发不确定度只有几十纳米的误差校正算法,以保证测量结果更贴近实际。通过数据仿真,在理想非球面的基础上叠加位置误差和面形误差以获得非球面原始三维数据,进而利用修正后的Levenberg-Marquardt全局优化算法,将所获原始三维数据与非球面标准方程作对比,并利用均方根(RMS)误差最小原理,成功分离和校正了非球面的位置误差。针对4种不同规格型号的玻璃非球面镜片,通过将实验结果与商用非球面轮廓仪UA3P的测量结果作对比,得出高匹配的结果,二者的峰谷值之差小于5 nm,均方根相差约为0.1 nm,结果验证了算法的准确性和稳健性。

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。

为了评价平面镜面形误差, 采用基于条纹反射法的面形检测原理、通过平面镜法线偏移实现面形误差评价的方法。将正弦条纹投射至光屏, 经被测平面镜反射至相机, 通过小孔成像原理和四步相移法获得被测平面镜上一点的法线, 并与经最小二乘算法面形重建的该点理论法线比较, 获得该点法线偏移, 利用法线偏移实现对平面镜的面形评价。对测量方法进行计算机仿真, 以证明其正确性, 搭建实验测量系统, 并对某一款手机屏幕进行测量实验。结果表明, 该测量方法的重复性精度优于1mrad, 测量重复性高。该研究为玻璃面板等具有高反射特性的平面面形误差提供了参考。

大型槽式太阳能反射镜面尺寸大,对测量精度要求高,需要高精度的测量方法完成对其面形的三维重构。为了提高反射镜面形检测的精度和效率,提出并实现了一种基于大尺寸摄影测量技术的大型槽式太阳能反射镜面检测方法。针对大型槽式太阳能反射镜面,该方法首先利用凸包检测法筛选不共线的像点对,然后利用五点相对定向方法求解相机相对外参数以及利用光束平差方法对测量点的三维坐标进行优化迭代,最后将测量点拟合的抛物曲面的信息和反射镜的设计参数进行对比分析,从而完成大型槽式太阳能反射镜面的面形检测。利用该方法在尺寸为12.0 m×5.7 m×1.4 m的槽式太阳能反射镜上进行测量实验,结果表明反射镜上的测量点的均方根误差不超过0.033 mm,拟合曲面的z轴误差平均值和标准差分别为1.050 mm和1.466 mm,这些数据可以满足大型太阳能反射镜面形检测精度的要求,验证了摄影测量方法的可行性。

以光纤布拉格光栅(FBG) 曲线传感器在结肠中的形状检测为背景, 提出了一种基于Frenet标架的坐标点拟合算法来提高光纤光栅曲线重建算法的精度。首先, 将相互之间呈90°的四根光纤光栅贴在一根形状记忆合金(SMA Styrene Maleic Anhydride)基材周围, 形成一根直径为3 mm, 长度为900 mm的光纤光栅曲线传感器。接着, 将该曲线传感器分别放置在毫米方格纸以及圆柱体上进行二维和三维曲线的重建。通过曲线重建软件读出每个数据采集点的重建坐标值, 并与通过方格纸读出的标准坐标值对比得出重建误差, 从而得出两种坐标点拟合方法的优劣。结果表明: 使用基于Frenet标架的坐标点拟合算法可有效提高重建精度。对提出的算法与常用的曲线重建算法进行了比较, 结果显示: 在接近光纤光栅应变极限的情况下, 使用基于Frenet标架的坐标点拟合算法在单方向上能够比原算法平均减小约3.5%~5.5%的误差, 为进一步提高光纤光栅形状传感系统的精度奠定了基础。

介绍了基于激光扫描法的非接触式光学元件曲率半径检测系统，该系统大大提高了光学元件粗磨后曲率半径检测的自动化程度，实现了软硬件结合的一键式面形数据获取。该系统利用x/y轴二维平移台的运动实现网格扫描，同时基于激光扫描法测量面形弧高，并附加有z轴升降台扩展弧高量程。设计了上位机控制程序和人机交互界面，使系统在后期使用中更为灵活便捷。编写了曲面拟合算法，最终实现光学元件面形数据的自动采集、拟合以及相关光学参数的计算，可完成对多种光学元件面形的非接触式检测。实验结果表明，无论待测光学元件的表面落差是否超出激光头测量范围，系统均能完整采集所需面形数据，经过误差处理后，测量精度优于±0.15 %，满足粗磨检测要求。

针对大口径非球面主反射镜(简称主镜)的装调要求，对比分析常用大口径非球面面形检测方法，提出该类主镜检测面形的最佳方案。在主镜的装调过程中，通过对主镜的固定方式和主镜变形补偿这2个关键环节的阐述，总结主镜固定的难点及主镜变形的原因，提出一套全新的装调方案，以旋转消重力法进行检测，并用专用工装实时定心调节，再用辅料焊接法固定主镜与中心轴，最后采用辅助支撑对主镜组件进行最终固定修正。装调结果表明：对于大口径非球面反射镜，装调完成后的主镜面形精度Rms≤0.03λ(λ＝632.8 nm)。