与球面及非球面光学元件相比,自由曲面光学元件在提高像质、矫正像差及增大视场方面更具优势。但是自由曲面尚不够完善的加工检测技术限制它的广泛应用。为解决复杂自由曲面检测精度与普适性兼顾的问题,课题组提出一种新的检测方式:干涉检测系统配合球壳透镜组成光学测头,利用球壳透镜内表面能够将被测面向不同方向反射的检测光收集回检测系统的特性,对自由曲面光学元件表面点进行精确的纵向检测定位,形成被测表面的空间云点数据,从而实现对整个自由曲面的表面面形检测。本文通过对检测系统光学测头部分的光线追迹过程进行数学建模与仿真,分析测头部分可能的误差来源,根据产生机理对误差源进行分类。结合数学模型分析不同误差源对系统测量精度的影响,计算能够满足检测精度要求的允差范围。对无法满足精度要求的误差源提出标定方法,并利用软件模拟标定并消除该误差的实验过程。本文的工作包含三个方面:第一,介绍干涉式光学测头系统的基本结构及其测头部分的检测原理,利用Zemax软件构建系统结构,仿真被测面偏离焦点位置引起的干涉图样变化,对理想情况下表面点理论纵向定位精度可达20 nm进行说明。第二,建立系统测头部分的数学模型,根据测头部分的检测原理分析误差源,利用数学模型对误差源进行分析并计算满足测量精度的允差范围。第三,介绍系统测头部分的装配方法和对光学元件的测量方法,标定装配误差并结合仿真数据提出实验方案。本文仅对系统测头部分的误差做原理性分析与标定。分析建立在理论研究获得的单点纵向定位精度优于20 nm的课题背景下,未考虑系统平台搭建过程中的各项干扰、技术实现方法等问题,要真正实现减小或消除系统误差还有很多后续工作要开展。