非球面零件由于其在矫正像差和简化光学系统方面的优势, 越来越被广泛的应用于现代光电仪器上, 其中应用的最广泛的非球面零件要属轴对称二次非球面。文中研究的是国内常用的加工轴对称二次非球面的方法——研磨修带法, 即在最接近比较球面的基础上修磨非球面的方法。主要讲述了由非球面方程入手, 得到它的最接近比较球面及各带区的偏离量, 确定加工方案, 运用适当的修带工具得到所需的非球面的过程。

为了实现离轴二次非球面反射镜几何参数的高精度测量,提出了一种激光干涉仪和激光跟踪仪相结合的测量方法。在离轴二次非球面反射镜的无像差点法干涉检测光路的基础上,使用激光跟踪仪的反射球标定离轴二次非球面镜的特征点位置和曲面的空间位置,通过简单计算得到反射面的几何参数。实验中对一离轴凹椭球反射镜进行测量,其二次曲面系数k和曲率c的测量精度分别达到了0.000 1和0.000 000 2。结果表明这种测量方法用于离轴二次非球面反射镜几何参数的高精度测量是合理可行的。

为了降低离轴三反光学系统加工和装调难度，提出了一种无遮拦的两反射镜三反射光学系统。将传统的离轴三反射光学系统中的主镜和三镜改进为一块非球面反射镜，即用一块镜面实现两镜的设计，这既能够降低光学加工的复杂度，同时也减少了装调的难度。根据三反射系统像差设计理论，推导出同轴两反射镜三反射系统的初始结构参数计算公式，得出了适用于该系统的求解方程组。设计了焦距1000 mm，F 数为10，全视场2°×0.4°，无中心遮拦的离轴两镜三反射系统，两反射镜面型均为二次曲面。从调制传递函数、点列图、衍射能量分布图可以看出，系统成像质量好，能量比较集中。整体系统体积小、结构简单，重量轻。

为了提高非球面光学元件的检测精度及效率, 缩短调整环节的时间, 分析了非球面干涉检测过程中被检非球面镜的调整误差对检测结果波前信息的影响, 提出利用波前等高线图走势准确判断调整方向的调整方法。建立调整方向与被检镜失调量之间的关系, 并利用光学设计软件Zemax仿真模拟检测光路, 结合二次非球面镜的光学公差分析判断调整量的大小。基于该调整方法, 利用Zygo激光干涉仪对口径为50 mm的双曲面进行检测, 最终检测结果是RMS为0.014 λ,实验表明该方法简单、可行。

针对传统的二次非球面折射型激光扩束器存在不易加工、装调困难、体积大、重量大，特别是难以获得高填充比阵列透镜等不足，提出了一种利用衍射型台阶化面型近似二次非球面的激光扩束器方案，结果表明：对于典型的束腰半径为2 mm的高斯光束，衍射型激光扩束器可实现2.8倍的理论扩束比。为了保持扩束过程中激光模式的稳定性，提出了不同区域给定不同台阶数的两类复合结构，解决了扩束过程中保真度和二元衍射元件加工特征尺寸无法同时满足的问题，改进后的系统保真度达95.82%，各区域最小光刻线宽均大于2 μm，能够满足现有光刻加工技术要求。对影响系统保真度主要误差的分析结果表明：离轴误差在-1~1 mm，目镜和物镜倾斜误差分别小于0.1 mm和1.68 mm时，系统保真度仍大于95%，方便装调。