随着科技的进步,为满足深空探测、能源获取、遥感测控等需求,球面光学元件朝大型化、高精度方向发展,同时也对球面元件表面质量提出了更高的要求。球面元件表面质量的主要评价参数有：面形、粗糙度和表面缺陷等。精密元件的表面面形、粗糙度等相关的关键技术指标可以利用非常成熟的科学仪器如数字化干涉仪和轮廓仪来进行检测并得以控制,而表面缺陷的数字化检测至今尚难以实现。目前在表面缺陷检测领域,平面元件缺陷的数字化检测尚处于起步阶段,球面元件由于其光学结构参数如曲率、形状的多变性,要实现数字化检测则面临更多难题,因此对球面元件尤其是大口径球面元件的检测,只能用人工目测。但是人工目测存在主观性强、效率低、缺陷无法定位、定量等不足,严重制约了如惯性约束聚变大科学装置、空间光学及超精密先进光学制造技术的发展,所以实现大口径球面的表面缺陷自动化检测是相关高技术领域的当务之急。本论文在平面缺陷显微散射暗场成像技术的基础上,针对不同曲率、形状及口径的球面缺陷检测,在球面缺陷显微散射暗场照明、球面子孔径扫描路径规划算法、球面扫描多轴联动系统误差影响、球面缺陷三维重构技术等方面展开了研究。主要研究内容包括：结合大口径球面光学元件现代超精密加工技术,综合国内外基于机器视觉的表面缺陷检测技术研究进展,提出了开展球面元件高精度缺陷检测技术与系统研究的重要性及必要性。在大口径平面元件表面缺陷评价系统SDES(Surface Defects Evaluation System, SDES)的基础上,提出基于显微散射暗场照明的球面光学元件表面缺陷检测方法。分析了满足不同曲率、形状及口径的球面缺陷检测的特殊照明光源与球面光学定中系统,为球面元件的扫描与成像奠定基础。提出了球面三维扫描路径自动规划算法,并建立了SOM(Same Overlapped-area on Meridian)与SOP(Same Overlapped-area on Parallel)的规划模型。在两种规划模型中,对相邻子孔径不同重叠因子优化规划仿真的基础上,利用三种评价方法进行对比评估,获得较优的SOP规划方案,保证球面全口径的无漏、快速检测。同时建立基于Pin-Hole模型的三维球面子孔径重构算法,利用球面三维成像时的映射关系,结合被测元件曲率半径,将二维子孔径平面像逆向重构获取三维子孔径球面像。并在三维重构的基础上,利用SOP规划结果,完成三维球面的直接拼接过程,得到三维球面全口径缺陷图像。针对三维子孔径直接拼接引起球面缺陷特征断裂的问题,对球面多轴联动扫描系统中的误差源进行了分析：基于多体系统理论,建立球面多轴联动扫描系统理想运动模型与含有误差项的实际运动模型。基于上述模型仿真结果分析了误差项对拼接的影响,同时模拟实际采样过程,对系统硬件进行误差分布优化分析,保证直接拼接精度。针对大口径球面拼接中可能存在的拼接错位现象,建立了基于纬线环带最佳匹配的球面子孔径拼接理论模型,将拼接过程划分为纬线环带上相邻子孔径局部配准与纬线环带间多幅子孔径全局配准与全局捆绑调整,通过保证三维子孔径投影图像的高质量拼接结果,来保证三维球面全口径的拼接精度。在理论研究的基础上,首次提出了基于显微散射暗场成像的大口径球面元件表面缺陷机器视觉检测系统方案,并建立了原理性实验系统。系统采用环形可变焦高亮度LED光源照射被测球面元件表面,在有效避免球面反射光影响的前提下,表面缺陷诱发的散射光束通过显微成像系统,得到暗背景高亮缺陷的暗场子孔径图像；为实现覆盖球面全口径的子孔径采样,采用多轴联动扫描机构配合光学自准直球面定中系统实现了球面元件表面的子孔径扫描；最终进行了球面元件扫描、成像与拼接实验,并对数据处理过程进行了详述,验证了重构模型、扫描模型的正确性及球面拼接方法的完善性。