高超声速技术研究是当前研究热点但缺乏准确的实验测量验证,风洞实验是最有效手段。实验过程中需要透过光学窗口对整个流场进行光学流动显示,为了减少对内流的干扰,窗口采用内外表面均为自由曲面的全新设计,面形复杂而形位精度要求达到亚微米级。受限于干涉仪的动态范围,波面干涉方法无法直接对这类表面进行面形检测。本文基于亚微米级精度的光学标准检具对坐标测量误差进行辨识与补偿,提出高精度的测头半径补偿和点云配准方法,有效提升自由曲面的坐标测量精度;进而引入波前干涉检测方法,将成对使用的自由曲面定位误差转化为透射波前进行检测。具体内容包括以下几个方面:(1)基于高精度光学标准检具辨识和补偿坐标测量机几何误差。根据齐次坐标变换和小误差近似原理,建立了坐标测量机的几何误差模型;其中各坐标轴的六自由度误差用三次多项式描述,最终得到包含多项式系数以及三轴正交性误差共57个参数的误差转换矩阵。利用面形误差可忽略的光学平面、球面和柱面等作为标准检具,对上述误差参数进行辨识,进而根据辨识的误差模型对被测面形误差结果进行补偿,可有效提高测量精度。该方法在φ110mm口径凸球面的测量实验中得到初步验证。(2)高陡度曲面的测头半径补偿与配准方法。坐标测量得到的点云数据与名义曲面定义的点云数据的坐标系不重合,导致自由曲面评价结果中存在显著的对准误差,因此必须对点云数据进行配准。提出点到曲面上三角面片的近似距离计算方法,将三维点匹配转化为平面点集的Delaunay三角化,大大提高了计算效率。为补偿测头半径,提出将点云数据向名义面的等距面配准的方法,使得配准算法对数十毫米/度的对准误差有很强的鲁棒性。最后对磨削过程中的窗口自由曲面进行了检测实验验证,用配准后的面形误差指导补偿加工,降低了面形误差。(3)光学窗口类自由曲面透镜的波前干涉检测方法。尽管单个曲面无法用干涉仪检测,但窗口包含成对使用的两个自由曲面,其形位误差仅对窗口的透射波前进行微米级调制,可用波前干涉检测方法。使用TracePro软件对自由曲面窗口进行光线追迹分析,验证了准直光束经过单片窗口后仍为近似准直光束,波前误差在干涉仪的动态范围之内,从而可将该窗口置于干涉仪平面镜头和高精度平面反射镜之间进行透射波前检测。进一步仿真了单片和一对窗口在检测光路中不同失调引起的像差,为其计算机辅助装调以减小失调像差影响提供了指导。