超精密测量是光学制造的前提。高精度的光学面形测量仍然遵循零位检验原则，计算机生成全息图（CGH）是自由曲面等复杂面形零位检验所必需的补偿器。为此，面向制造过程，重点论述CGH补偿检验原理及其衍射级次的鬼像干扰、投影畸变校正、测量不确定度与绝对检验问题，探讨CGH补偿检验的局限与应对方法。针对制造过程中产生的动态演变局部大误差的测量难题，论述子孔径拼接测量、自适应补偿干涉测量方法，探讨加工原位干涉测量进展。最后，从超高精度测量与溯源、混合光学零件的宏微跨尺度测量、自主可控面形测量仪器及其原位集成三个方面对光学面形测量技术发展进行展望。

随着现代数字制造技术的快速发展, 在工业产品测量领域, 对微型物体几何尺寸的测量需要满足非接触、高精度、多尺寸等需求, 而现有测量技术还不能达到这些要求。为了实现多尺寸、高效、快速、非接触式的精确测量, 文中利用光纤耦合激光器光束质量好、线宽超细、精度高、单色性好、体积小以及免调节等优势, 研制了基于光纤激光的精密非接触测量系统, 提出了一种基于光纤耦合激光的超精密视觉测量方法, 主要包含基于光纤线激光的目标成像、激光线滤波与提取、测量模型建立及几何参数标定、数据转换和三维重建测量等关键技术。利用光纤激光器向测量物体表面连续发射激光线, 采用高分辨率相机, 通过照明/不照明两次成像技术获取物体的平面尺寸和高度信息。对激光线图像进行滤波校正, 快速提取激光线, 对几何参数进行标定和坐标转换, 然后进行处理数据, 获取物体测量部位的三维测量值。实物测量和对比实验验证了文中测量方法的准确性、快速性和有效性, 测量精度可达微米级。为微型物体几何尺寸的三维非接触、高精度、多尺寸测量提供了有效方法和测量仪器。

为了降低超稳光学腔的振动敏感度, 在综合考虑振动所导致的腔镜位移及转动后, 定义了一个新的表征腔体振动敏感度的参量。采用有限元数值分析方法, 用所定义的单一参量优化了一个典型的立式超稳光学腔。优化过程考虑了腔体端面直径、支撑孔位置和深度等关键几何参量。结果表明, 优化后的腔体结构和支撑方式可以明显降低超稳腔对振动的敏感度, 腔体稳定性比优化前提高1.5倍。该优化方法操作性强, 能够有效提升超稳腔仿真和设计的效率。

应用光学理论分析了一种纳米级位移分辨率的双级衍射光栅测量系统，建立了衍射叠栅信号与对应位移的数学模型，并通过计算机仿真对叠栅信号的位移特性进行了研究。为提高位移检测信号的灵敏度及定位精度，提出了差动式和修正式两种定位方法，差动式定位由于能消除同相噪声干扰及激光管本身光强的波动，因此定位精度高于修正式定位，但修正式定位结构比较简单。利用研究的两种定位方法，建立了精密定位的复合控制系统，通过粗定位和精定位相结合的两段式复合定位，可保证在较大的信号捕捉范围内，实现高速高精度定位，有效地解决了定位精度、定位速度与信号捕捉范围三者之间的矛盾。实验结果表明，复合式精密定位可在1 mm的信号捕捉范围获得±10 nm的定位精度。

研制了基于同一显微镜基体实现原子力探针扫描测量与非接触光学测量两种功能的复合型超精密表面形貌测量仪。分析了基于白光显微干涉原子力探针的测量方法、探针微悬臂变形量与白光干涉条纹移动量的关系以及探针微悬臂测量非线性误差的修正方法，和通过融合垂直扫描系统的位移量和悬臂梁变形量得到了原子力探针的工作方式。研制了三维精密位移系统和基于白光显微干涉的原子力探针测头。采用原子力探针扫描测量对NT-MDT公司生产的扫描探针校准光栅TGZ2_PTB进行了重复性实验，实验显示标准差为0.96 nm，相对重复性误差为3.08%。给出了原子力探针扫描测量、相移干涉测量及白光干涉垂直扫描测量的测量实例。实验结果表明，所研制的超精密表面形貌测量仪可用于超精密加工工程表面、光学表面以及微纳几何结构的测量。

为了精确地描述激光外差干涉在高加速度超精密测量中加速度对位移测量精度的影响机理与规律,建立了高加速度超精密激光外差干涉位移测量模型.通过分析测量棱镜三维运动对多普勒频移的影响,推导出高加速度激光外差干涉位移测量模型.理论分析和仿真实验表明,当测量加速度为9m/s2,匀加速运行的位移为500mm时,由于加速度变化引起的相对论性效应对测量精度的影响为5nm.高加速度超精密激光外差干涉位移测量模型的建立,可提高激光外差干涉在高加速度超精密测量中的测量精度,为激光外差干涉在高速和超高速测量领域的应用提供了理论依据.

为了精确地描述激光外差干涉在快速超精密测量中的位移测量,建立了激光外差干涉快速超精密测量模型。传统外差干涉测量模型采用舍去高阶误差的方法,便于分析与快速计算,但在快速纳米精度测量中,高阶误差已经影响到测量精度,根据多普勒频移公式,通过分析激光外差干涉的测量原理,在已有的激光干涉测量模型上增加了v2/c的积分项,相当于将传统测量模型进行了高阶误差补偿。通过理论分析可知,当最高测量速度为1 m/s,运行位移为3 m时,该测量模型能够减小约18 nm的测量误差,解决了传统测量模型存在的残余误差累计问题,从而为激光外差干涉在快速超精密测量领域的应用提供了一种理论依据。