光学非球面新型检测原理与技术

　　近年来，光学设计水平的提高、光学及机械表面加工技术的改进都促使非球面及自由曲面在各类光学系统中起到越来越重要的作用。在成像系统中，利用非球面及自由曲面取代传统球面，能有效改善像质、减小系统体积和质量，甚至起到系统更新换代的作用。在天文光学、空间光学和地基空间目标探测与识别、激光大气传输和惯性约束聚变等国防科技领域，以及特种眼镜、照明系统、投影显示等民用领域，非球面及自由曲面都得到了广泛的应用。非球面及自由曲面的高精度检测是光学元件制造和光学系统装调的基础和前提，不同领域光学系统的发展，对非球面及自由曲面检测提出了多方面的严格要求，成为精密制造加工技术进一步发展需要满足的先决条件。
　　本书作者结合其科研团队多年来在光学非球面高精度检测及评价领域的研究成果和学术积累，对光学非球面及自由曲面检测的原理、方法和技术进行阐述，参考了大量的文献并融入了新的学术见解。全书不仅注重基本概念和基本原理的阐述，同时注重理论与应用的紧密结合，深入浅出地讲述了作者近年来在光学面形测量技术领域的科研成果，并在其基础上分析了相关发展态势。全书共分5章，第1章介绍了光学非球面的基本概念、描述及评价方法，并简要介绍了光学非球面检测的经典方法； 第2章阐述了基于激光偏转与逆向哈特曼的光学非球面几何检测方法； 第3章详细论述了部分补偿数字莫尔移相干涉测量方法，分别阐述了部分补偿法和数字莫尔移相干涉法的基本原理，并描述了系统标定和校正的方法； 第4章重点阐述了基于干涉检测法的非球面参数误差测量； 第5章探讨了非球面干涉检测动态范围扩展的相关技术，主要包括解决高陡度非球面检测的两步载波拼接技术和数字莫尔-牛顿迭代技术等。
　　本书的研究内容得到国家自然科学基金的资助，作者的研究生做了大量的资料整理工作，在此一并表示衷心的感谢。本书适合航空航天、天文、信息技术、超精密加工等领域从事光学制造检测工作的科研人员和工程技术人员，以及高等院校光学工程等相关专业的学生阅读参考。
　　由于作者水平有限，书中难免有不妥之处，恳请读者在使用过程中批评指正。

作者
2022年10月

本书结合光学测量技术的发展，针对光学非球面，尤其是大口径非球面和自由曲面的检测技术进行了详细的探讨，主要涉及技术起源与发展、原理、具体的实验装置，以及相关的测量方法和精度。全书共分5章，第1章介绍了光学非球面的基本概念、描述及评价方法，并简要介绍了光学非球面检测的经典方法； 第2章介绍了基于激光束偏转与逆向哈特曼的光学非球面几何检测方法； 第3章详细介绍了部分补偿法和数字莫尔移相干涉法； 第4章重点介绍了基于干涉检测法的非球面参数误差测量； 第5章探讨了非球面干涉检测动态范围扩展的相关技术。

郝群，北京理工大学特聘教授，中国仪器仪表学会理事，中国计量测试学会理事，北京光学学会理事，中国兵工学会光学专业委员会主任委员、光电子专业委员会副主任委员；《Defence Technology》杂志副主编。长期从事光电智能感测技术方面的研究，承担了国防重点基础科研、总装预研、预研基金、总装探索项目，国防863等众多可以项目，取得了如下标志性学术成果：，从光路结构设计的源头创新，提出一种基于面形可变元件的变焦光学系统设计方法，解决了利用面形可变元件实现集高精度快速变焦、调焦、稳像为一体的全新光学成像系统的核心技术问题，被评价为“发展了国际上主流的Tanaka变焦设计方法”，变焦稳像一体化成像，为航天航空和国防领域的高可靠光电成像系统发展提供了新思路；第二，先后突破了微型光学系统、微型反馈式驱动与信号处理、非标准高速视频接口等关键技术，国内首次研制出了2克重量的微型智能CMOS成像系统、3克重量0.00034lx照度下可清晰成像的微型智能高灵敏度 CCD成像系统原理样机，为我国国防微型光电成像系统的理论、关键技术及应用研究做出了贡献。第三，在复杂面形测量领域，提出“部分补偿”概念，利用简单球面作为部分补偿镜即

第1章光学非球面测量概述
1.1光学非球面的应用
1.2光学非球面的分类及数学描述
1.2.1非球面分类
1.2.2非球面方程
1.3光学非球面检测及评价指标
1.3.1面形误差和参数误差
1.3.2几何像差与泽尼克多项式
1.4光学非球面检测方法
1.4.1接触式测量法
1.4.2几何检测法
1.4.3干涉检测法
参考文献

第2章激光束偏转法与逆向哈特曼波前检测法
2.1激光束偏转法
2.1.1测量光路方案
2.1.2光斑位置测量
2.1.3斜率计算
2.2逆向哈特曼波前检测法
2.2.1逆向哈特曼波前检测法测量原理
2.2.2测量分辨率、测量灵敏度及斜率测量范围
参考文献

第3章部分补偿数字莫尔移相干涉法
3.1概述
3.2部分补偿法
3.2.1基本原理
3.2.2非球面部分补偿镜设计
3.2.3自由曲面部分补偿镜设计
3.3数字莫尔移相干涉法
3.3.1虚拟干涉仪的建立
3.3.2莫尔合成与滤波
3.4系统标定和校正
3.4.1干涉仪标定
3.4.2部分补偿镜标定
3.4.3被测非球面标定
参考文献

第4章非球面参数误差干涉测量
4.1相关概念
4.1.1非球面的法线像差
4.1.2斜率非球面度
4.2基于补偿位置的非球面参数误差测量原理
4.2.1补偿位置的定义
4.2.2部分补偿干涉系统的补偿位置理论模型
4.2.3非球面参数误差与补偿位置的关系
4.2.4非球面参数误差测量原理
4.3非球面参数误差测量方法
4.3.1非球面参数误差测量系统
4.3.2非球面参数误差测量流程
4.4非球面参数误差测量系统及实验结果
4.4.1实验系统搭建
4.4.2实验结果与分析
参考文献

第5章非球面干涉检测动态范围扩展研究
5.1高陡度非球面检测的意义
5.2两步载波拼接干涉测量
5.2.1数字莫尔移相法的局限
5.2.2两步载波拼接干涉原理及关键技术
5.2.3仿真分析
5.2.4实测验证
5.2.5TCSM算法应用讨论
5.3数字莫尔-牛顿迭代优化干涉测量
5.3.1数字莫尔-牛顿迭代解相原理
5.3.2仿真分析与比较
5.3.3实测验证
参考文献
索引

本书结合光学测量技术的发展，针对光学非球面，尤其是大口径非球面和自由曲面的检测技术进行了详细的探讨，主要涉及技术起源与发展、原理、具体的实验装置，以及相关的测量方法和精度。全书共分5章，第1章介绍了光学非球面的基本概念、描述及评价方法，并简要介绍了光学非球面检测的经典方法； 第2章介绍了基于激光束偏转与逆向哈特曼的光学非球面几何检测方法； 第3章详细介绍了部分补偿法和数字莫尔移相干涉法； 第4章重点介绍了基于干涉检测法的非球面参数误差测量； 第5章探讨了非球面干涉检测动态范围扩展的相关技术。

郝群，北京理工大学特聘教授，中国仪器仪表学会理事，中国计量测试学会理事，北京光学学会理事，中国兵工学会光学专业委员会主任委员、光电子专业委员会副主任委员；《Defence Technology》杂志副主编。长期从事光电智能感测技术方面的研究，承担了国防重点基础科研、总装预研、预研基金、总装探索项目，国防863等众多可以项目，取得了如下标志性学术成果：，从光路结构设计的源头创新，提出一种基于面形可变元件的变焦光学系统设计方法，解决了利用面形可变元件实现集高精度快速变焦、调焦、稳像为一体的全新光学成像系统的核心技术问题，被评价为“发展了国际上主流的Tanaka变焦设计方法”，变焦稳像一体化成像，为航天航空和国防领域的高可靠光电成像系统发展提供了新思路；第二，先后突破了微型光学系统、微型反馈式驱动与信号处理、非标准高速视频接口等关键技术，国内首次研制出了2克重量的微型智能CMOS成像系统、3克重量0.00034lx照度下可清晰成像的微型智能高灵敏度 CCD成像系统原理样机，为我国国防微型光电成像系统的理论、关键技术及应用研究做出了贡献。第三，在复杂面形测量领域，提出“部分补偿”概念，利用简单球面作为部分补偿镜即