随着空间相机、天文望远镜等现代光学系统口径的增大,对大口径非球面光学元件提出了迫切的需求,但大口径非球面特别是大口径凸非球面的形状测量一直是光学检测中的难点。受大口径辅助镜和复杂补偿器加工精度的限制,传统检测手段无法满足大口径凸非球面高精度检测的需要。子孔径拼接方法避免了大口径辅助镜和复杂补偿器的应用,提高了测量的横向分辨力和动态范围,可实现大口径凸非球面的高精度检测。但子孔径拼接检测大口径凸非球面仍存在以下两个问题:1)参考波前误差、对准误差、映射误差等引起的子孔径测量误差的累积会导致较大的拼接误差,从而显著地影响最终的拼接精度;2)为校正子孔径测量误差和拼接误差需要引入补偿项,补偿项的选择会影响拼接算法对误差的抑制能力,且增加补偿项会影响传统拼接算法数值解的稳定性,并导致优化出现病态。“基于波像差校正和同步拼接的非球面形状测量方法”主要针对上述两个问题,对非球面拼接测量中参考波前误差、对准误差等校正方法进行深入研究,并在此基础上探讨一种基于波像差校正和约束优化的同步拼接方法,以抑制拼接过程中的误差传递和累积,克服传统拼接方法容易出现病态的缺点,为大口径非球面的高精度拼接检测提供理论基础和技术储备。本文完成的主要工作如下:提出了基于奇偶合成的参考波前校正方法,利用任意波前可描述为奇偶组合的特性,分别获得参考波前的奇分量和偶分量,采用基于双目标线性优化函数的最小二乘拟合算法进行奇分量的校正,克服了传统三位置法对被测面的偏心、倾斜、侧移等失调误差敏感的缺点,抑制了环境振动、扰动对校正结果的影响。实验表明:与传统三位置法相比,基于奇偶合成的参考波前校正结果与参考面的校准值更吻合,且校正结果的PV值重复性优于0.003λ。提出了基于波像差校正和约束优化的同步拼接方法,在参考波前误差、对准误差等误差校正的基础上,建立了基于波像差校正的子孔径拼接模型,采用全局误差均化和约束优化的方法实现了子孔径的同步拼接合成,抑制了子孔径测量误差对拼接结果的影响,避免了拼接过程中的误差传递和累积,克服了传统拼接方法容易出现病态的缺点。最后,对本文研究的相关内容进行了实验验证。球面拼接测量实验分析了子孔径数目和拼接策略对拼接结果的影响,证明了所提出的同步拼接方法对误差传递和累积的抑制能力;Φ150mm凹非球面拼接测量实验对所提出的基于波像差校正的拼接模型进行了验证,通过校正参考波前误差、对准误差等误差,减小了重叠区对应点的相位差异,降低了顺序拼接和同步拼接的拼接不匹配度;第一环带的同步拼接结果与其对应区域的直接测量结果相比,两者残差的PV值仅为0.0764λ,RMS值仅为0.0108λ;Φ200mm凸非球面拼接测量实验对所提出的基于全局误差均化和约束优化的同步拼接方法进行了验证,在重叠系数大于20%的条件下,采用所提出方法对顶点曲率半径为125mm,面形系数k为-0.002、Φ200mm凸非球面进行43个子孔径的同步拼接合成,拼接不匹配度的PV值为0.0601λ,RMS值为0.0064λ,与无约束优化方法相比,拼接不匹配度的PV值降低了28%,RMS值降低了38%。