五棱镜扫描法通过沿扫描方向连续采集子孔径光束会聚点的坐标，由斜率反演波前分布，是检测大口径准直波前的常用方法。在传统的一维五棱镜扫描法的基础上，提出添加多个五棱镜，形成一组并联的五棱镜和一组串联的五棱镜，实现了一种基于非均匀采样的五棱镜阵列扫描测量大口径准直波前三维分布的方法。该方法通过三个平行于扫描方向的并联五棱镜同时测量准直波前X方向的斜率，三个垂直于扫描方向的串联五棱镜同时测量准直波前Y方向的斜率，采用Zernike多项式中4～11项的导函数拟合测量得到的斜率，继而获得用Zernike多项式表征的准直波前三维分布。该方法只需要一次扫描测量，就能同时获得待测波前三条线上的斜率，避免了传统方法测量全口径准直波前时需要在X、Y方向进行的多次扫描，优化了扫描机构，缩短了扫描检测时间，实现了全口径准直波前的快速检测。通过仿真验证了使用待测波前三条线上斜率复原待测波前的可行性与准确性。应用该方法对1 m口径准直波前进行了检测，并与干涉法检测结果进行了对比，两种方法得到的准直波前数值与分布形式基本一致，证明了该方法的可行性。

基于传统的五棱镜扫描法和图像处理法设计了一台通用检测装置，该装置可以快速准确地检测口径1m以下的平行光管出射光平行性。详细分析了五棱镜姿态对装置测角精度的影响，实测了实验室Φ1m焦距30m的平行光管光束平行性，并根据测量结果进行了焦面调节，最终平行光管离焦量控制在4mm以内，装置测角精度优于1″。

为了提高大口径平面镜面形检测的精度和效率, 提出了一种新的五棱镜扫描法。该方法采用径向扫描的方式, 使用一个扫描的五棱镜和一台自准直仪来测量表面倾斜角的差值, 然后将被测平面镜的面形表示为Zernike多项式的线性组合, 再利用表面倾斜角的差值建立方程组, 最后采用最小二乘法计算得到被测平面镜的面形。在检测过程中, 该方法还可以对五棱镜在扫描过程中的倾斜变化量进行自动监视和调整, 减小了检测误差。误差分析表明, 该方法的面形检测精度为76 nm rms(均方根误差)。采用该方法对一块15 m口径的平面镜进行了面形检测, 并与Ritchey-Common法的检测结果进行了对比, 两种方法面形结果的差异为71 nm rms, 小于五棱镜扫描法的面形检测精度。证明了利用该五棱镜扫描法检测大口径平面镜面形的正确性。

为检测基于五棱镜扫描法的大口径光学系统波前检测法,以口径为513 mm的仿真模拟波面为被测波面进行模拟仿真检测试验,使用通光口径为5 mm的五棱镜对被测波面进行模拟二维扫描检测。根据实验结果拟合出被测波面的二维特性曲线,再利用二维特性曲线对被测波面进行三维拟合,并分析实验中可能存在的误差。实验结果表明,模拟波面与被测波面吻合,证实了这种方法可行并且在一定条件下能进行高精度检测。

：五棱镜扫描检测具有结构简单、检测周期短等优点，可以实现大口径平面镜低阶像差的高精度检测，是指导大口径平面镜光学加工过程的一种有效途径。为使大口径平面镜检测系统中的五棱镜扫描技术更加完善，通过理论分析和计算模拟，对五棱镜检测系统中的主要误差源，包括五棱镜制造误差、温度梯度的影响、元件位置误差、光束定位误差、自准直仪测量误差等进行研究，形成了比较完善的误差分析的数理结果。计算结果表明，在当前实验室技术条件下，五棱镜扫描检测系统在单个测量点处的测量不确定度达到230 nrad，其中影响五棱镜检测系统测量精度的主要因素为自准直仪的测量精度与温度的影响。研究结果给出了工程实际中提高五棱镜扫描系统检测精度与减小测量误差的注意事项，并可用于指导系统设计时的误差分析及精度分配。

为了对大口径平面镜面形轮廓的五棱镜扫描法测试进行误差分析和修正, 对五棱镜转动时出射光角度的变化进行了分析与精确计算。首先建立了合适的坐标系并规定了角度的正负, 然后由入射光的偏摆角和俯仰角计算入射光向量, 接着介绍了五棱镜的作用矩阵与坐标转换矩阵, 在此基础上详细分析了五棱镜转动的整个过程并且计算了出射光向量。然后计算出射光的偏摆角和俯仰角, 再计算当五棱镜没有转动时出射光的偏摆角和俯仰角。最后计算出射光偏摆角和俯仰角的变化。特别分析了当入射光垂直入射五棱镜的情况。随后进行了实际计算与实验, 总结了出射光角度变化的一些规律。将计算数据与实验数据进行了比较, 结果最大偏差为1″。最大偏差在实验精度范围内, 证明了计算方法是正确的。

为了更好地检测与评价大口径平面镜，引入了离散傅里叶级数作为处理五棱镜扫描结果的数学工具。从基本理论出发，分析了离散傅里叶方法本身性质以及在处理斜率信息上的优势；之后借助功率谱以及Zernike 多项式，分析了经过傅里叶方法处理得到结果的空间域以及频域的特性。针对米级口径的反射镜面形数据，进行模拟数据采集，之后对于该数据进行处理，得到可以用于检测装调的低阶面形。

利用矩阵光学方法, 计算得出五角棱镜两种光学平行差的解析表达式, 分析五角棱镜光学平行差与工作面法向矢量夹角的矩阵关系.基于Agilent激光干涉仪角度测量系统和DHC三维转台搭建实验装置, 测量了Thorlabs五角棱镜的两种光学平行差.实验和解析式计算结果偏离度不超过4%.五角棱镜滚动角、偏摆角的变化等效于五角棱镜光学平行差的变化.通过坐标系变换, 五角棱镜的自身误差和系统在线测量误差可以被同时标定.该研究对五角棱镜的实际加工、测量系统标定, 以及高准确度面形检测提供了参考.

五棱镜扫描检测具有结构简单、检测周期短等优点，可实现低阶像差的高精度检测，是指导大口径、超大口径平面镜光学加工的有效途径。基于光线矢量追迹理论，建立五棱镜扫描检测系统数学模型，并采用最小二乘法推导出系统测量精度与系统主要光学元件角度变化量之间的解析表达式。在此基础上，分析了系统测量精度对元件装调精度的灵敏度，给出了系统精确装调的实施方案，并进行了系统装调试验，探索出适合大口径平面镜检测的五棱镜扫描检测系统装调流程。实验结果表明，由装调过程引起的系统测量误差可控制在40 nrad 以内。通过理论分析和装调试验，验证了使用五棱镜扫描检测技术进行大口径平面检测的可行性。