Q-type非球面广泛应用于光学系统设计中,针对Q-type非球面超精密加工过程中的面形检测问题,提出了一种MATLAB软件与Taylor Horbson PGI-1240非球面轮廓仪相结合的方法,以达到对Q-type非球面进行高精度检测的目的。检测结果表明,由Nanoform 700 Ultra单点金刚石超精密车床加工的全口径为11.8 mm的单晶铜Q-type非球面面形误差峰谷(PV)值为0.1963 μm,表面粗糙度方均根(RMS)值为0.03412 μm,满足加工第一阶段面形误差PV值<0.2 μm和表面粗糙度RMS值<0.04 μm的要求。此检测方法可以精确得到工件面形误差,为下一阶段车削加工提供数据支持。

为了对钢轨厂生产的成品钢轨外表面轮廓进行全面的检测,设计了一种非接触式钢轨轮廓检测系统。该系统基于激光轮廓仪和高精度位移传感器采集到的钢轨轮廓数据,使用弦测法及移动平均平滑滤波计算钢轨的平直度,使用共面法计算钢轨扭曲度,完成钢轨轮廓数据的检测。试验表明,系统测量的标准差为20 μm以内,与标准测量方法所得结果对比误差均在合理范围内,该系统能够准确且稳定地完成对钢轨平直度和扭曲度的测量。

为提高白光干涉轮廓仪的测试效率，提出了一种空间扫描范围自适应规划方法。构建了相应的测试系统，选择能量梯度函数用于系统最佳干涉位置的定位。使用ViBe算法对最佳干涉位置处电荷耦合元件(CCD)图像中的干涉条纹进行提取，并对提取结果进行二值化处理。实验结果表明，该方法能够准确识别扫描上下限位置。

大型空间望远系统主镜口径已经达到4 m，因此要求具有加工检测到4 m量级非球面的能力。为了完成4 m量级反射镜研磨和粗抛光阶段的检测任务，提出了利用摆臂轮廓仪检测的方法。建立了检测的数学模型，再通过理论分析和计算机模拟，分别对臂长误差、气浮转台编码器误差、对心误差、倾角误差等系统误差进行分析与标定，并利用直径为1080 mm的球面反射镜，验证了数学模型的正确性。计算结果表明，限制摆臂轮廓仪检测精度的主要是对心误差和倾角误差，针对上述结果，给出了提高摆臂轮廓仪测量精度、减小测量误差的方法，对超大口径反射镜检测有一定的参考意义。

提出了一种接触式轮廓仪测量非球面参数的新方法, 该方法通过在传统的二维接触式轮廓仪基础上增加旋转, 从而实现了三维测量。为了验证新方法的测量准确性与可行性, 文中使用 ZYGO干涉仪对旋转对称球面进行检测, 与新方法的检测结果加以对比。最后, 使用新方法对非球面光学元件的面形参数进行测试, 分析结果表明新的测量方法具备较高的测试精度, 满足测量要求。

为提高长程轮廓仪（LTP）面型检测的精度，提出一种使用波面型等光程多光束分束器的LTP。该分束结构可将入射光束分成若干束等光强等光程的相干光。在理论上分析计算了傅里叶变换（FT）透镜焦平面上干涉条纹的位置和强度分布，探究了零级干涉主极大条纹宽度、振幅和±1级干涉主极大条纹振幅与多光束分束器各结构参数之间的关系。通过选取合适的参数设计了基于多光束干涉原理的新型分束器，并与传统分束器进行了仿真实验比较，设计了测量系统中的准直镜和FT透镜，在Zemax软件中建立了完整的光学系统模型，并对该模型进行了实验验证。结果表明多光束干涉长程轮廓仪可以实现对被测表面斜率的测量，其在探测面上的干涉条纹宽度比传统双光束干涉窄，光强也更加集中，可以提高LTP的测量精度。

针对长程轮廓仪中的一个重要光学部件分束器，设计了一种菲涅耳双棱镜对分束结构。其功能是将一束正入射平行光分成两束间距可变、强度相等且光程差为零的平行光。对菲涅耳双棱镜对结构特点进行了详细的描述，并对基于菲涅耳双棱镜对分出的两束光在傅里叶透镜后焦面上的干涉条纹振幅分布和能量分布做了理论分析和数值仿真。分析和仿真结果表明，菲涅耳双棱镜对不仅具有已有的等振幅分束结构同样的功能，而且能使长程轮廓仪探测精度更高。对比菲涅耳双棱镜对与已有的4种等振幅分束结构的性能发现，菲涅耳双棱镜对兼备结构简单、满足等光程条件以及分出的两束光间距可变等优异分光效果，可作为已有等振幅分束结构的一种替代结构。

为了研究磁控溅射方法制备的Zr膜的应力分布情况, 采用探针轮廓仪测量镀膜前后基片在1维方向上的形变, 根据镀膜前后基片曲率半径的变化和Stoney公式, 用自编应力计算软件计算出薄膜的内应力。结果表明, Zr膜中主要存在的是压应力, 且分布不均匀; 工作气压对Zr膜内应力影响不大, 但膜厚对Zr膜内应力影响较大, 且随膜厚的增加, Zr膜中压应力减小。

结合超精密制造技术，讨论了轮廓仪测量大曲率半径表面形貌存在的精度缺陷。提出了利用NIKON Autocollimator 6D自准直仪辅助Form Talysurf PGI 1250A以提高轮廓仪测量精度的改进方法。当自准直仪的光轴与样品顶点的法线共轴时，旋转样品其顶点的法线方向不变，因此自准直仪的反射像位置也不会变，并且自准直仪有很高的精度，从而可将其用于寻找顶点。基于相关参数对提高轮廓仪测量精度进行了理论计算和Zemax模拟。搭建实验装置对不同曲率半径的样品进行测量，与改进前实验结果进行对比，证明了轮廓仪测量精度提高到原来的2～4倍，适用于测量大曲率半径表面形貌，验证了改进方法的合理性和有效性。

针对大口径非球面反射镜在研磨阶段后期其面形与理想面形存在较大偏差，且表面粗糙度较大、反射率较低，采用轮廓仪和普通干涉仪检测无法满足测试要求等问题，提出采用动态范围大且精度高的Shack-Hartmann波前传感器来检测大口径非球面反射镜。研究分析了Shack-Hartmann波前传感器检测系统的原理及系统误差并编写了相应的数据处理软件。为了验证该方法的可行性，对已经加工完成的350 mm口径旋转对称双曲面面形进行了检测，测量得到的面形误差PV值、RMS值分别为0.388λ、0.043λ(λ=6328 nm)；与干涉测量的标准结果进行了对比，得到的面形偏差PV值、RMS值分别为0014λ和0001λ。对比结果表明， Shack-Hartmann波前传感器的测量结果正确可靠，从而验证了Shack-Hartmann波前传感器检测大口径非球面反射镜的可行性。