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。

采用具有“负-正”形式的反远距结构作为初始结构, 利用Q-type非球面设计了一款工作在可见光波段的电子内窥镜物镜(EEO)光学系统, 其全视场为110°, 焦距为1 mm, F数为3.3, 最大通光孔径为3 mm, 系统总长为7.89 mm。该光学系统由6片透镜组成, 包括两组双胶合透镜和一片两面均为Q-type非球面的镜片。设计结果表明, 在奈奎斯特空间频率143 lp/mm处的调制传递函数(MTF)高于0.4, 接近衍射极限。为验证Q-type非球面在EEO系统设计中的优越性, 在相同计算平台与结构参数下设计了一款包含幂级数(PS)非球面的EEO系统, 对两者进行了分析比较。结果表明, Q-type非球面具有更强的系统像差校正能力, 且有利于提高系统的优化设计效率; 设计得到的Q-type非球面与其最接近球面之间的偏离量非常小, 有利于提高非球面光学元件的加工效率与检测精度, 降低成本; 同时Q-type非球面EEO系统的装配敏感性更低, 有利于提高系统的装配效率。

介绍了非球面各加工阶段的面形检测技术及其最新进展，重点介绍了非球面精密抛光期的面形检测技术，并对其中的非零位子孔径拼接干涉检测法和部分补偿法进行了详细阐述，提出了适用于大口径、深度非球面面形检测的组合干涉法的概念。概述了近年来受到关注的自由曲面非球面的发展和检测技术现状，展望了非球面检测技术的发展趋势。

利用齐次坐标变换理论分析了计算机数控能动磨盘加工大口径离轴非球面反射镜时磨盘底面需要形成的实时面形，给出了通用的盘面实时轮廓的计算方法。以 NST(新太阳望远镜 )的离轴抛物面主镜参数为例，给出了用现有能动磨盘加工时盘面形状及磨盘变形量的计算结果，并将该方法用于两块轴对称非球面 (Φ1 030 F/1.6椭球面和 Φ1 250 F/1.5抛物面)反射镜的研磨中，加工结果表明该方法可以准确描述加工中磨盘的面形。理论分析、计算和实验结果为今后开展能动磨盘加工大口径离轴非球面反射镜奠定了基础。

针对RB-SiC反射镜工程实践中暴露的一些问题, 对RB-SiC反射镜的材料制备、表面改性及非球面加工等技术进行了研究。首先, 依据其改性特殊性, 选取了与RB-SiC反射镜材料热胀系数匹配的新型支撑材料进行热匹配设计。接着, 依据实际工程情况对非球面加工工艺及流程进行技术改进, 以提高加工的可靠性。最后, 采用试验的方法对RB-SiC反射镜的相关加工方法进行了试验验证。试验结果表明, 改性后RB-SiC反射镜完好, 改性前后镜面面形精度RMS值变化量仅为0.017λ(λ=623.8 nm), 变化率为13%, 非球面加工周期缩短了1~2月。该技术确保了RB-SiC反射镜10 μm的改性膜层在后续加工中的加工余量, 使其不易被磨漏, 提高了加工的安全性, 缩短了非球面加工周期, 该技术亦适用于其它SiC反射镜的制备及非球面加工。

为了提高光学系统的成像质量,对离轴抛物面反射镜的面形准确度要求越来越高,这大大增加了反射镜的加工难度.本文基于波像差理论,分析了在离轴抛物面反射镜中调整量引入的波像差,提出通过适当调整离轴抛物面反射镜的位置补偿反射镜的面形误差,可以降低离轴反射镜的加工难度、缩短其加工周期、减少加工成本.并借助于ZEMAX软件对一块面形准确度低于λ/40 RMS (λ=632.8 nm)离轴抛物面反射镜进行仿真实验,根据理论计算的调整量调整反射镜的位置,得到了补偿后的离轴抛物面反射镜的面形误差小于λ/60 RMS,仿真结果表明在离轴抛物面反射镜中引入适当的调整量可以有效地补偿反射镜的面形误差.

根据质点系平衡的加权平均思想,提出了一种新的适用于离轴非球面数控抛光的路径规划方法。根据影响抛光结果的因素,给出了权因子的组成元素及其计算方法,包括常数、加工残差分布以及与工件边缘的距离,并给出了权因子间影响系数的粗略确定方法。对一组面形数据进行虚拟加工,与常规的X-Y直角坐标系型加工路径相比,面形均方根收敛率从0.36提高到0.62,其它各项数值的表现也均优于常规方法。最后,对算法中的一些问题做了简要的说明和讨论。这种规划方法原理简单,效果显著,满足实际使用要求。

介绍了一种确定抛物面反射镜光轴的新方法。当抛物面反射镜绕着机械旋转轴旋转时，利用2束平行光(一束与机械旋转轴平行的光和一束与机械旋转轴成一定角度的斜平行光)经抛物面反射镜反射的像点运动，调整抛物面反射镜的位置，使光轴与机械旋转轴重合。理论分析结果表明：其定轴的倾斜误差不大于1′，平移误差不大于5μm。该方法可用于抛物面反射镜检验，也可用于抛物面反射镜的调校工艺中。

将加工的数学模型由去除函数与驻留时间的卷积过程转变为去除矩阵与驻留时间向量的乘积过程,从而将驻留时间的计算变为线性方程的求解.因测量误差而引入的噪声导致了方程的病态,传统的数值计算方法失效,因此,用Tik-honov正则化对建立的模型进行求解.采用了无须任何先验知识的自适应方法选取正则化参数.对同一组数据采用其他的驻留时间算法进行计算并对比,精度提高了30%以上.最后对一组面形数据使用实际参数进行了模拟加工,加工后的PV、RMS的收敛比率分别达到0.48,0.62,满足实际驻留时间的求解要求.该方法稳定收敛,精度高,设置灵活,是一种较实用的驻留时间算法.

研制出了一种能在外场使用的哈特曼物镜,该物镜口径为300 mm,焦距800 mm,视场为-1～1 mrad,在0.532 nm、0.632 8 nm、1.064 nm三种波长(λ)下工作,主波长为0.6328 nm.该系统光学材料全部采用德国进口Schott熔石英玻璃,物镜是高次非球面,用WYKO干涉仪检测,检测结果表明物镜波面误差PV值为λ/12,均方根值RMS优于λ/100.