针对飞机舱内的特殊位置需要获得高速动态图像用于监视飞机状态并进行一些参数的定量测量计算的问题。设计安装将光轴进行120°转折、在暗弱舱内对目标进行监视的环光照明装置; 为了适应机载振动和冲击的要求, 对系统进行了抗力学设计, 通过振动实验台进行了验证; 为了与三种不同类型的彩色高速或高清相机配合满足系统最小对角线全视场不小于60°的要求对光学视场也进行了合理设计。

由于结构尺寸小, 微电子机械系统(MEMS)的性能易受到加工工艺过程中各种不确定因素的影响, 设计阶段存在着不确定性。本文针对一种典型的MEMS测力计进行不确定性分析, 在考虑大挠度变形的条件下, 基于完备椭圆积分解给出了测力计的载荷-位移模型, 模型结果表明测力计在位移超过30 μm后表现出显著的非线性。基于该模型, 综合考虑材料参数和结构尺寸参数的随机性, 研究了测力计不确定性分析的蒙特卡罗法, 并给出了直接对蒙特卡罗抽样数据实施线性回归获得各参数敏度的计算方法, 用于便捷地分析各参数对测力计不确定性的贡献。所得到的结果与文献吻合非常好, 验证了该方法的正确性和有效性, 并为测力计的鲁棒设计以及工艺改进提供参考。本文给出的系统不确定性分析方法具有通用性强、使用简单等优点, 同时避免了对解析模型的依赖, 证明其可应用于难以显式表达输入与输出关系的系统的不确定性分析。

提出了一类椭圆柔性铰链——深切口椭圆柔性铰链,其切口的宽度为椭圆的短半轴,而切口的深度为椭圆的长半轴。基于材料力学中的变截面梁的弯曲理论,通过引入离心角作为积分变量,推导出了这类柔性铰链的转角、转动精度和最大应力的解析计算公式。这些公式简洁、规范,可用于工程设计中的计算和分析。用有限元分析软件ANSYS分析了多个不同尺寸的椭圆柔性铰链,分析结果与解析计算公式的计算结果吻合得很好。其中转角的最大误差不超过4%,最大应力的最大误差不超过5%,转动精度的最大误差不超过7%,说明了这些解析计算公式的正确性。分析结果也表明,这类铰链非常适合于要求高精度传动的应用场合。

以四元数方法在光线传输计算中的应用为理论基础，推导出一套基于四元数方法的光线传输运算公式，采用Visual C++和OpenGL建立一个光学系统可视化仿真平台，用于振动环境下光学系统的辅助分析。给出光线追迹运算流程与图形可视化实现关键技术，并对仿真平台的整体结构与功能进行了介绍。通过对某光学系统的仿真分析，成功仿真出图像经过光学系统产生的枕形畸变，证明四元数方法在光线传输运算中的正确性与可行性，为复杂光学系统的空间光线传输计算提供了另一种方法。

为同步辐射光束线设计了一种新型的柔性铰链--直圆倒角复合柔性铰链.分析计算并通过实验验证了直圆倒角复合柔性铰链性能.与直圆柔性铰链相比,直圆倒角复合柔性铰链具有柔度大、转动精度高等优点,可在不损失精度的情况下大大提高微调机构的柔性;在要求最大转角一定的情况下,可大大降低对作动器驱动能力的需求,也使得机构内的应力大为减小.

在讨论四元数及其基本运算、Rodrigues-Hamilton参数表示的四元数和四元数变换算子的基础上,给出了标准四元数的定义.基于标准四元数,推导了四元数方法表示的光线反射和折射变换算子,并给出了对应的计算公式,为复杂光学系统以及失调光学系统的空间光线传输计算奠定了理论基础.

在恶劣机械振动环境条件下,如何使光束稳定成为制约光学系统性能提高的技术难题.借助矩阵光学、机械振动学和有限元方法统一处理,建立了光学系统光束稳定性的基础振动响应分析模型,并以某二维光学系统为例,给出了详细的数值仿真方法,并提出了保障瞄准稳定性的若干振动控制措施.增大平台模态阻尼比是减小光束指向漂移有效的振动控制措施,但工程实施能力有限.计算结果表明,对于平台的基础振动,采用柔性支撑隔振可使光束漂移量显著减小;但由于柔性支撑难以抑制平台上的激振源引起的振动,在多种振动存在的环境中,光束稳定控制技术将成为进一步提高光学系统性能的关键技术.