大尺寸平面光学元件在“激光核聚变”等大型光路系统中有大量应用,需求的元件尺寸较大,精度要求逐渐提高,对此类元件的加工和检测都提出了很高要求。现有的检测方法多为离线检测,无法满足高效率加工的需求。因此,亟需研究高精度、高效率的检测方法,为超精密大尺寸光学玻璃平面磨床提供工艺分析、质量保证的依据。本文针对现有大尺寸平面光学元件检测方法存在的问题,根据超精密大尺寸光学玻璃平面磨床的加工需求,提出了基于子孔径拼接技术的在位检测技术,并构建了超精密磨削大尺寸平面光学元件检测系统,从而为大尺寸光学平面的工序中检测提供了一种可行有效的方法。本文对相关技术进行了深入研究,取得了如下几个方面的研究成果。1.大尺寸平面光学元件在位检测系统根据超精密磨削大尺寸平面光学元件在位检测要求,提出了一种超精密磨削大尺寸平面光学元件在位检测系统的构建方案。设计了与磨床共用一个工作台,但可以相对独立运动的龙门式测量架在位检测系统。该系统采用子孔径干涉扫描拼接技术,扩展可测量尺寸范围,提高横向分辨率,采用动态干涉仪进行干涉测量,可以有效抑制车间环境扰动引入的随机误差。基于对影响系统测量精度的导轨直线度和定位精度等因素的分析,提出了在位检测系统的主要技术指标,详细说明了在位测量系统的结构组成,设计开发了子孔径拼接测量软件,并集成应用该软件实现了在位检测的完整测量过程。2.大尺寸平面光学元件在位干涉拼接算法针对大尺寸平面光学元件在位检测的高精度及高性价比要求,提出将子孔径拼接技术应用至在位检测中。论述了常用的子孔径误差均化拼接算法,说明了该算法的数学模型和计算精度。重点分析研究了参考波面中二阶项(离焦项和像散项)误差在拼接过程中的累积效应,揭示了此类误差累积的根本原因,推导出圆形子孔径拼接矩形波面时,离焦项和像散项的累积和诱生规律公式。提出了相应的二阶项累积误差补偿方法,可以一次性补偿全部累积面,无需对每个子孔径单独处理,经过模拟和实验分析验证了该规律、公式和补偿方法的有效性。3.无重叠子孔径拟合拼接算法在位测量是工序中检测,目的是控制加工面形,因此追求过高的检测精度是不经济的,同时为了减少不稳定环境下长时间测试的不确定性,本文提出了无重叠子孔径拟合拼接算法。该方法针对大尺寸矩形平面光学元件,可快速恢复被测面低频面形,用此方法计算时,子孔径之间无需重叠区,因此所需子孔径数量大大减少。本文提出的针对矩形工件较合理的子孔径分布模型也是实现无重叠子孔径拟合拼接的关键。该方法虽有其局限性,但作为机械加工过程中快速恢复面形的在位测量方法是可行实用的。4.在位检测误差因素分析及抑制方法研究针对在位检测的车间环境,分析了影响子孔径干涉拼接测量精度的主要因素,分为测量系统误差和随机误差两大类。指出本文所使用的动态干涉仪在测量中存在有回程误差,并分析了它对测量准确性的影响。分析了动态干涉仪中对测量精度有影响的主要设置参数,为其在本文系统中的应用提供了实际操作依据。分析了影响单孔径测量精度的温度、湿度、杂质、振动和调整误差等误差因素,通过分析这些因素对测量相位值的影响,明确了温度、湿度的变化范围和变化率,确定了杂质点和振动误差的抑制方法,并通过实验分析排除了调整误差对测量结果的影响,对本文在位检测系统所需的测量环境提出了合理的要求。5.在位检测系统验证分析在建立的在位检测系统中,对多个不同形状、不同尺寸、不同材质的样件进行了多次重复性测试,验证了所建立的在位检测系统和方法可以实现车间条件下的大尺寸平面光学元件的测量,系统运行可靠、结构合理,拼接算法、误差补偿方法行之有效,可以作为超精密磨床加工工件的在位检测方法。