与球面及非球面光学元件相比,自由曲面光学元件在矫正像差、提高像质及增大视场方面更具优势。然而自由曲面在精密光学成像领域的大规模应用却受限于加工检测技术。自由曲面的高精度普适性检测技术是实现高精度自由曲面低成本制造的关键之一。针对目前光学测量头难以调整光轴与复杂自由曲面大斜率点处法线相吻合的问题,本文提出基于干涉检测系统配合球壳透镜组成光学测量头,通过球壳透镜内表面将向不同方向反射的检测光收集回光学测量头系统,并利用干涉方法对光学表面进行精确定位,从而能够实现对复杂自由曲面的高精度普适性检测。本文的研究工作主要包括:1.调研了国内外关于自由曲面检测技术并比较其优劣势,针对光学测量头不能测量自由曲面大斜率点的缺点,提出以干涉检测系统配合球壳透镜组成的光学测量头实现复杂自由曲面表面点高精度定位,通过三坐标形式实现自由曲面的高精度普适性检测。2.分析不同的光学测量头类型并进行选型,对比常用的泰曼格林干涉仪和菲索干涉仪的特点,选择适合光学测量头的干涉仪形式。建立光学测量头的数学模型,进行光线追迹,通过模拟干涉条纹,分析理论上可实现的单点定位精度。3.利用光学设计软件构建光学测量头系统,仿真光学测量头焦点偏离被测表面的偏离模型,与数值模拟结果进行对比。结果表明,光学测量头的理论单点定位精度可优于20nm。4.根据检测原理设计实验方案,对平面和非球面分别进行单点定位实验,实验中干涉条纹的变化趋势与模拟干涉条纹具有一致性,完成了原理分析的验证。本文仅对光学测量头的基本原理进行研究,包括理论分析和实验对比。研究过程中未考虑各种误差影响、技术实现方法等,要真正转化为工程化应用的普适性高精度检测设备还有很多后续工作需要开展。