大口径非球面光学零件在光学系统中的广泛应用,对现代光学加工和检测技术提出了严峻的挑战。随着被测镜口径和相对口径的增加,高精度在位检测的意义就显得更加重要。非球面相位恢复拼接测量不仅增加了相位恢复的检测范围而且结构简单、抗振动、测量量程大,可以获得较高精度的定量检测结果,因此成为了实现大口径非球面在位检测最有希望的技术手段之一。本文从相位恢复拼接测量理论出发,围绕球面和非球面的特点和要求,研究了针对球面和非球面的拼接算法,为非球面在位测量提供了理论基础和实验方案。本论文的主要研究工作包括以下几个部分:1、提出了增加相位恢复幅值测量范围的方法。方法一是将双回转CGH可变补偿器引入相位恢复测量。此相位板可产生可变Zernike多项式像差,可用来补偿被测表面的对应像差。方法二为光强图拼接。此方法的本质是用大面积CCD相机采集整体光强图,通过算法进行相位恢复测量。方法中分析了光强图之间的位置误差对光强图拼接的影响,并建立数学模型。通过实验证明了此方法的正确性和有效性。2、相位恢复拼接测量基础研究。理论推导了拼接测量光路中各参数对支持域计算的影响,得出分光镜折射率、分光镜厚度、分光镜位置和子孔径位置对支持域范围的影响规律。提出了一种位错误差的标定方法。此方法首先理论分析了位错误差对相位恢复的影响。其次证明了迭代误差的全局最小点在迭代误差为零时得到,从而为标定方法打下理论基础,通过仿真证明了此方法的正确性。提出了一种光路对准方法,方法中将对准分为光源和被测镜的对准以及被测镜和CCD相机的对准,且在实验中得到证明。3、建立了相位恢复拼接测量物理数学模型,在此模型的基础上推导了总体迭代误差对于任何实未知参数的偏导数表达式,得到偏导数表达式之后,即能为共轭梯度算法提供输入。编制了球面和非球面相位恢复拼接程序,其中非球面拼接算法优化了测量过程中引入的位置误差和姿态误差,并仿真证明了算法的正确性。4、以球面镜和抛物面镜为例,划分子孔径后进行相位恢复拼接测量实验,并应用拼接算法获得全口径面形误差,与干涉仪测试得到的面形进行比较,对拼接测量的有效性进行实验验证。5、分析了相位恢复拼接在位测量的基本原理,设计了用于在位拼接测量的硬件装置。此装置应用He-Ne激光器和扩束镜组合作为光源,质量轻,容易控制。且测量过程中只需光源的偏摆,X轴平移和Z平移,及其被测镜的自转,这些运动都能较简单的实现。分析了机构的运动,得出光源的运动行程大小,为实现在位测量提供了基础。