在光学系统中使用非球面可以有效校正像差，改善像质，进而简化系统结构;并且增大系统口径可以从根本上提高系统的分辨本领，因此在基础科学研究、天文学宇宙探测以及**安全等领域都对大口径非球面镜有着迫切需求。大口径非球面的制造在现代光学制造工程中扮演着重要的角色。本文以大口径非球面镜的先进制造为主题，对大口径非球面镜的光学加工技术，特别是研磨抛光技术及其过程中所采用的面形检测方法进行了综述，特别总结了新一代先进光学制造的技术特征，展望了未来大口径非球面镜的制造策略。

大口径非球面的高精度检测中,补偿元件的质量对检测结果有直接影响。针对大口径抛物面计算全息板(CGH)因其空间频率高,误差控制难度大的问题,通过一个具体的设计,分析了加工过程中定位误差引起的光场畸变。为了减小误差的影响,采用双CGH光路进行非球面检测,具体分析了双补偿器结构非工作级次衍射光的分离情况,以及定位误差带来的光场畸变。结果显示：双CGH结构的最大空间频率远小于单片结构,其定位误差带来的光场畸变的RMSE值是相同条件下单片结构的0.65倍。这表明在补偿检测大口径非球面时,采用双CGH补偿元件,在满足设计要求的同时能很好的抑制其加工误差带来的影响。

折反射式零位补偿检验是一种综合了Offner折射式和Maksutov反射式补偿检验优点的凹非球面检验 方法,补偿能力强,检测光路紧凑。大口径和大相对孔径非球面检验是制约其加工质量提高的难题,针对口径为4 m、 偏心率为1、顶点曲率半径为16 m的大口径凹抛物面反射镜,设计了折反射式零位补偿器。基于三级像差理论对补偿器的初始结构进行了 规划和计算,采用Zemax软件对初始结构参数进行了优化,得出了补偿器的最终结构,检验光路轴向尺寸约12 m,系统优化后剩余波相差为0.005λ。设计和仿真结果表明,这种折反射式零位补偿器对大口径凹非球 面镜的加工检测是非常有利的。

近年来, 大口径、大非球面度、快焦比、高次非球面光学元件在天文光学、空间光学和地基空间目标探测与识别等领域得到了越来越广泛的应用。目前对此类光学元件的检测一般采用零位补偿法或消回程误差的非零位检测法。其中消回程误差的非零位补偿法处理过程复杂, 缺乏检测直观性, 且测量精度无法保证, 故在针对一些面形精度要求非常高的镜面时并不适用。以口径为1020 mm、焦比为1/0.5、非球面度为1.8 mm、高次项达6次的凹高次非球面反射镜检测为研究基础, 提出了分阶段设计零位补偿检验光路的新思路, 以满足此类镜面在粗抛、精抛、干涉仪检测等不同研制与检验阶段的需求。最终检测面形精度达到了λ/50。

针对大口径离轴凸非球面面形检测的困难, 本文将光学系统波像差检验技术与子孔径拼接干涉技术相结合, 提出了凸非球面系统拼接检测方法。对该方法的基本原理和具体实现过程进行了分析和研究, 并建立了合理的子孔径拼接数学模型。当离轴三反光学系统的主镜和三镜加工完成以后, 对整个系统进行装调和测试, 并依次测定光学系统各视场的波像差分布, 通过综合优化子孔径拼接算法和全口径面形数据插值可以求解得到大口径非球面全口径的面形信息, 从而为非球面后续加工和系统的装调提供了依据和保障。结合工程实例, 对一口径为287 mm×115 mm的离轴非球面次镜进行了系统拼接测试和加工, 经过两个周期的加工和测试, 其面形分布的RMS值接近1/30λ(λ=6328 nm)。

提出采用摆臂式轮廓检测的方法，实现超大口径SiC反射镜面形的高精度轮廓检测。阐述了采用摆臂轮廓仪检测超大口径反射镜的基本原理和具体实施流程；介绍了基于扫描线交点高度一致性的特点进行面形重构的算法，以及针对离焦量测量不准的问题，采用激光跟踪仪对面形离焦量进行辅助测量的手段，建立了综合优化的检测模型；结合实例对口径为2040 mm 的同轴抛物面SiC反射镜进行了摆臂轮廓检测，检测精度均方根(RMS)为0.46 μm，与干涉仪检测结果对比偏差0.03 μm。该技术与加工机床集成实现了反射镜的在位检测，以非球面的最接近球面为测量基准，提供了一种精确、高效地测量超大口径光学非球面面形的方法，满足了大口径SiC反射镜在研磨阶段的高精度轮廓检测需求。

为解决大口径非球面碳化硅反射镜加工过程中材料去除效率与加工精度之间的矛盾，提出使用组合加工技术进行加工。介绍了组合加工技术的基本原理与数学模型。通过与经典计算机控制表面成形技术(CCOS)加工技术进行对比，说明了组合加工技术的优势。结合工程实例，对一块2040mm口径非球面碳化硅反射镜进行研磨。以其中一次加工周期为例介绍了组合加工技术在大口径非球面碳化硅反射镜加工过程中的应用。经过一次完整的组合加工过程，工件表面面形误差峰谷(PV)值由8.72 μm收敛至4.91 μm，均方根(RMS)值由0.91 μm收敛至0.52 μm,证明了组合加工技术的有效性。

根据大口径非球面光学元件研抛工艺的需求，基于行星式研抛装置设计了一种新型的双路气压平衡研抛压力控制系统。该系统利用低摩擦气缸,压力传感器和两个电气比例阀构建研抛气压闭环回路。分析了系统工作原理，建立了压力控制系统的非线性模型。为了实现恒压控制，运用前馈控制及双模态PID控制算法设计了复合控制器。实验结果表明，该系统能实现研抛压力的平缓过渡，可完成研抛压力的无级调节和柔性控制，输出研抛压力在0到350 N可调，稳态压力波动小于1 N，对气缸活塞位移波动干扰有较强的鲁棒性。该系统基本满足研抛系统对研抛压力稳定性和精确度的要求。

为提高大口径非球面光学反射镜研磨与抛光阶段的加工效率, 提出了一种采用多磨头组合方式同时提高材料去除效率和面形收敛率的加工方法。该方法基于矩阵运算, 在一次优化过程中同时优化多个加工循环, 并对传统的单去除函数驻留时间求解过程进行扩展, 以实现多去除函数的综合优化求解。由于扩展了驻留时间求解范围, 使大磨头和小磨头在加工过程中优势互补, 实现了多个磨头多个加工循环的全局优化。最后, 采用计算机虚拟加工的方法对等厚和实际加工中的面形误差进行加工模拟。结果表明：与传统的驻留时间求解算法相比, 提出的方法使加工效率提高了50%, RMS收敛率与小磨头相当。实际面形仿真加工结果显示, RMS由0.011 5变为0.004 4, 收敛率为0.621 2, 满足实际加工要求。该技术有效缩短了加工周期, 具有很强的实用性。