传统的低相干垂直扫描方法在测量高度达数十或数百微米的台阶或沟槽类微结构的表面三维形貌时，测量效率低下。为此，提出一种基于光谱分布特性的快速垂直扫描形貌测量方法，该方法包含两次垂直扫描过程。建立描述单幅干涉图条纹对比度的评价函数，利用粗扫描来定位被测件上下表面的大致位置，并联系上下两幅粗扫描图像计算出覆盖被测件上下表面相干区域的精扫描采图区域。精扫描在其他区域直接跳过但记录位移量，结合π/2扫描移相的精扫描干涉图复原被测件的表面三维形貌。粗扫描的扫描步长由低相干光谱分布计算得到，精扫描步长为中心波长的1/8。以高度为7.805 μm的台阶板和深度为200.99 μm的沟槽进行实验，结果表明，所提方法相比传统垂直扫描方法的采图时间分别缩短了48.2%和55.2%。

由于旋转激光扫描测量系统采用的是有源式收发分体的仪器架构,因此其易受到工业现场复杂测量条件的制约。针对系统现场适应性受限的问题,提出了一种基于旋转激光扫描的单站式无源多靶点定位方法。在所提方法中,将多个角锥棱镜作为无源待测靶点。通过构建非球面反射接收模型实现了信号发射端与接收端的结合,并分析比较了该测量模式下的信号延时。此外,建立了多靶点光信号匹配机制以实现无源多靶点交会定位。最后,在工作空间测量定位系统平台上进行了实验验证。结果表明,所提方法在10 m测量范围内的三个方向上均能实现亚毫米级的定位精度,有效提高了旋转激光扫描测量系统在复杂测量环境中的适应性。

在筒形件自动化对接过程中, 需对其姿态进行无靶标精密测量和调整。本文采用激光轮廓传感器对被测件进行扫描获得点云数据, 推导得出点云数据的直线拟合公式, 并进行了姿态拟合求解。基于蒙特卡洛数值模拟, 对筒形件的轴线拟合法和母线拟合法进行比较, 并根据两种方法各自的优缺点, 提出采用轴线拟合法求解俯仰角、母线拟合法求解偏转角的综合测量求解方法, 显著提高了姿态测量精度。此外, 探讨了截取椭圆个数、每个椭圆上的轮廓点数与姿态求解精度之间的关系, 为在满足测量精度的同时兼顾测量效率提供了参考依据。最后, 利用原理样机和激光跟踪仪进行了测量实验。实验结果显示, 轴线姿态角测量的绝对精度优于0.02°, 标准差低于0.01°, 由此证明了本文方法的有效性和准确性。

为实现大型自由曲面工件的高精度快速三维测量, 设计了一种由超大尺度结构光传感器和两轴导轨构成的三维测量系统。结构光传感器在两轴导轨的带动下获取图像, 通过计算得到目标工件的三维坐标。为了将二维图像坐标转换到三维相机坐标, 提出一种线结构光传感器内外参数同时标定的方法。该方法使用准一维靶标进行标定, 通过获取运动机构平移过程中靶标与激光光条的图像, 计算得到线结构光传感器内外参数。实验结果表明, 该标定结果可靠, 系统的测量误差在0.6 mm以内, 满足设计需求。标定过程操作简便, 靶标制作简单, 适合于工业现场标定使用。

针对非球面光学元件加工对圆弧金刚石砂轮形状误差测量的需求，提出了砂轮三维几何形貌在位检测与误差评价方法。建立了砂轮外圆面螺旋扫描轨迹测量数学模型，利用位移传感器获取了砂轮表面轮廓数据；对得到的数据匀滑滤波后沿圆周展开并进行插值处理，得到砂轮三维几何形貌。然后，根据非球面平行磨削加工特点，提出评价圆弧砂轮形状精度的指标。通过提取三维几何形貌轴截面轮廓，进行最小二乘圆弧拟合得到不同相位处的圆弧半径与圆心坐标，并由误差分离获得砂轮表面圆弧的圆度误差、圆周跳动误差及轮廓圆心轴向偏差。最后，对非球面加工圆弧金刚石砂轮进行检测，获得了砂轮的三维几何形貌以及多个关键尺寸及其误差数据： 即圆弧金刚石砂轮的平均圆弧半径为55.442 3 mm，半径波动极差为0.16 mm，中央±8 mm环带内圆弧的圆度误差约为5 μm，圆周跳动误差约为2 μm，截面轮廓圆心轴向位置相对偏差为0.008 mm。根据检测结果，进行了大口径复杂非球面磨削实验，得到的元件面形P-V值为4.62 μm，RMS值优于0.7 μm，满足工程的实际需求。

针对在机激光扫描测量中激光测头安装位置和姿态引起的测量误差, 提出了一种适用于在机激光测量的测头标定方法。构造了在机激光扫描测量原型系统, 建立了激光测头随机床运动的测量模型; 通过多角度扫描标准球球面拟合球心, 给出了一种线性求解测头安装位姿参数的算法, 避免了非线性优化求解中的大量计算和不稳定问题。分析了测量过程中机床各个轴的运动误差对测量结果的影响, 建立了误差模型, 并给出补偿机床系统误差的方法。实验显示, 对直径已知的标准球进行测量时, 测头在不同摆角测得的标准球直径误差小于0.05 mm, 误差补偿后球心位置误差减小了83%。实验结果验证了该标定方法的可行性, 以及机床误差对测量精度影响的模型及补偿方法的正确性。

基于多测头光学扫描法对导轨直线度的在位测量方法,提出一种新的倾角补偿的三测头扫描方法。介绍了测量原理,推导了基于最小二乘法的直线度形状重构方法,重构出的形状可精确反映直线度误差的高频成分,且对测量噪声有良好抑制能力。对算法进行了仿真验证,并由实验验证了提出方法的有效性。实验结果表明,该方法可以精确地还原出台阶状的直线度形状,测量标准偏差在10 μm以内。

针对环形光刀取样式高能激光光强分布测量系统的要求, 研制了以圆弧反射面环形光刀架构的光取样器, 实现了对激光束的在线取样测量。光取样器的取样光刀外形设计为环形光刀, 可对取样光束进行周向扩展, 满足半数以上探测器接收取样空间光信号的要求; 取样光刀反射面设计为圆弧形, 可对取样光束进行切向扩展, 使其在增大衰减倍率的同时降低系统对光的难度。通过光取样器具体设计参数的计算, 获得了满足探测单元与反射光束耦合孔径角要求的参数设计范围。实验表明, 研制的光取样器可有效用于大面积高能激光束的在线测量。

利用Z-扫描测试技术研究了低功率下Sb80 Bi20纳米薄膜的非线性光学特性，并利用椭圆偏振光谱仪测量了薄膜光学常数及椭偏参数。实验结果表明Sb80Bi20薄膜具有较大的饱和非线性光学吸收，非线性系数约为-0.018 m/W，而非线性折射率效应却不明显。Sb80Bi20纳米薄膜的超分辨效应主要在于具有大的非线性吸收系数。理论计算表明35 nm厚薄膜可使高斯光束半径缩小大约10%。因此Sb80Bi20薄膜有望用于近场超分辨结构。

总结非球面常用检验方法在应用中优、缺点的基础上,使用环形子孔径扫描法来测量大口径非球面.这种方法使被测元件相对于参考波前的斜率差减小到干涉仪允许的测量范围内,每次测量仅是被测表面的一部分,通过算法实现数据"拼接",从而得到整个面形信息.该方法无需辅助光学元件即可实现对大口径、大相对口径非球面的直接测量,为大口径高精度非球面的加工检验提供了有效手段.