对于空间相机来说，高分辨率要求相机的焦距要长，长焦距则会导致主次镜间距变大，从而导致空间相机的体积增大，空间利用率降低。为了充分减小空间相机发射时的包络尺寸，降低空间相机的发射成本，针对同轴三反式光学系统设计了一种基于空间四连杆的高精度可重复式次镜展开机构。对该次镜展开机构进行误差分析，对次镜展开机构的模型进行有限元分析以评估机构的可靠性，并设计了机构可重复性实验验证次镜展开机构的可重复性。次镜展开机构折叠后空间相机光轴方向长度由875 mm压缩为324 mm，体积压缩63%，展开状态下的基频为96.64 Hz，重复展开位移极限误差最大为15.61 μm，倾斜极限误差最大为16.89″。结果表明，该机构实现了空间相机体积的压缩，且锁紧状态下的基频符合在轨使用要求，重复精度满足光学系统要求，能够适应微纳卫星的运载条件，可以应用于航天实践中。

针对单点金刚石车削金属反射镜的加工检测迭代周期较长的问题，引入了动态范围大、检测速度快的条纹反射法，实现了对金属反射镜的在位面形检测，提高了制造效率。对条纹反射面形检测原理进行了研究，通过光线追迹程序对口径为100 mm的反射镜面进行了模拟仿真，分析了条纹反射在位面形检测系统完成微米级面形检测时的位姿标定需求；对口径为100 mm的凹球面金属反射镜进行了在位检测，测量精度优于1 μm。研究结果对单点金刚石车削反射镜的加工提供了参考。

条纹反射法是一种结构简单的三维面形检测手段, 本文对该方法在智能手机、平板等移动设备中的集成和应用进行了研究。首先, 对条纹反射法标定误差以及智能设备的特点进行了分析。然后, 在分析实际检测中的关键误差基础上, 提出了通过相机非线性定标、改善相移算法、格点位置标定、应对相机自动增益调整等一系列方法和算法, 在设备现有硬件条件下提高了测量精度和稳定性; 最后, 使用iPad Air对直径为105 mm的SiC反射面进行了实验。结果表明, 标定精度在毫米量级时, 对反射面的检测精度RMS值达到33 μm, 并且以低频误差为主, 在局部高频区域检测结果有明显优势, 证实了在不使用其他外部设备前提下, 集成于智能平板的条纹反射法具备几十微米量级精度的检测能力。

基于相位测量偏折术(PMD)测量原理，提出了一种简单、可靠、精度高的三维面形检测新方法，可以运用于非球面反射镜精磨与粗抛光阶段的面形检测。所提检测方法通过利用入射光线、小孔坐标，以及虚拟的辅助表面来得到待测反射镜面的绝对高度和梯度。测量时，在CCD 相机前放置一个小孔光阑来实现小孔成像模型，并以该小孔的位置作为相机的位置，同时利用相移法并通过移动LCD 显示屏一次，获得摄像机上每个像素点所对应的入射光线。该方法对实验设备的位置无特殊要求，不需要辅助器件，检测过程简单，检测结果可靠。而且，该检测方法采用虚拟的辅助表面对反射镜面进行检测而不是采用入射光线与反射光线的交点，不需要对相机光线进行标定，检测结果受标定误差的影响很小，所以该检测方法具有很高的检测精度。计算机仿真与初步实验验证了该方法的可行性。

本文提出了基于特殊点对靶标的快速对准装置, 实现机床加工臂和检测臂初始扫描位置自动高精度复位。靶标由外围区域四组放大倍率标定点对和中心区域大小对准点对组成; 对准装置经初次使用前的畸变校正后, 每次自动识别靶标区域完成自动对焦; 根据外围点对进行放大倍率标定; 自动识别中心大小点对并对其进行坐标定位; 根据当前点对靶标位置计算与理想位置角度量和平移量偏差, 指导机床转台和导轨互相配合, 迭代调整直至完成精确对准。实验表明该方法对准精度约为5 μm, 优于几十μm的机械定位精度, 更利于实现超高精度光学加工的快速收敛, 提高大口径反射镜加工效率。

针对光学反射镜在精磨向初抛光过渡阶段时面形与理想面形存在较大偏差的问题, 采用轮廓仪和普通干涉仪检测无法满足加工检测需求的问题, 提出采用动态范围大且准确度高的条纹反射法来检测光学反射镜.研究分析了条纹反射检测系统的原理及系统误差, 运用光线追迹软件对条纹反射检测100 mm口径反射镜面形进行建模仿真, 并对已经加工完成的100 mm口径旋转对称球面反射镜进行了检测, 测量得到的面形误差峰谷值及均方根值分别为0.523 μm和0.086 μm, 满足该过渡阶段的检测需求.

针对地球静止轨道卫星平台面阵凝视成像系统由于平台振动引起的图像模糊问题，提出了基于分时积分亚像元融合的方法来削弱平台颤振引起的图像模糊，提高景物辨识度；设计并搭建了二维振动平台；利用高速图像采集系统采集不同曝光时间条件下、不同振幅、不同频率振动的序列图像；使用基于能量区域质心法的相位相关法进行亚像元图像配准，计算每帧图像相对偏移量，与二维振动平台中的光栅尺位移传感器数据进行对比，验证了配准算法精度优于0.1 pixel；选择清晰度满足要求的多帧短曝光时间图像进行亚像元融合。与长曝光时间图像对比，融合图像清晰度更高，而信噪比与长曝光图像相当，验证了分时积分亚像元融合法对颤振模糊的抑制作用，具备卫星平台应用的基础。

针对地球静止轨道卫星平台引起其面阵凝视成像系统的图像模糊, 提出基于分时积分亚像元融合的方法来削弱平台颤振的影响, 提高景物辨识度。设计并搭建了一维振动平台; 利用高速图像采集系统采集不同曝光时间下不同频率振动的序列图像; 使用基于能量区域质心法的相位相关法进行亚像元图像配准, 计算每帧图像相对偏移量; 与一维振动平台中的位移传感器数据进行对比, 得到配准算法的精度优于0. 1 pixel。最后, 选择短曝光序列图像中清晰度较高的图像完成亚像元融合, 与长曝光图像相比, 其融合图像清晰度更高, 信噪比与长曝光图像相当。得到的结果验证了分时积分亚像元融合法对颤振模糊的抑制作用。

相较于低轨卫星线阵扫描成像模式，地球静止轨道面阵成像的曝光时间相对更长，更容易受到平台颤振的影响而造成图像模糊.为了消除由平台颤振引起的像质退化，本文提出了基于分时积分亚像元融合的方法.由于地球静止轨道的凝视成像特性，相机观察区域在长时间内保持不变，因此分时短曝光可以获得多帧目标内容相同，但模糊尺度更低的短曝光图像.然后对多帧短曝光图像采用基于能量区域质心法的相位相关算法进行亚像元图像配准，计算相对偏移量并进行补偿，位移探测准确度可达0.1像元以内，满足卫星平台应用需求.再按亚像元偏移量对多帧图像进行融合，融合的过程可以提升由于曝光时间缩短而降低的单帧图像信噪比，最终可以获得图像清晰度更高、信噪比与原长曝光图像相当、信息辨识度更好的遥感图像.

调制传递函数(MTF)是描述光学成像系统信息传递频率特性的一个关键指标。在成像系统满足线性和空间不变性的条件下，对于含有点、狭缝和边缘等不同特征的图像，可以使用相应的方法计算得到成像系统的MTF。采用了倾斜刃边法来计算得到成像系统的MTF，分析了成像器件和算法步骤对计算结果产生的影响，进行了相应的校正，提高了计算结果的准确性。运用MTF补偿(MTFC)技术，分别使用了镜头MTF的设计值、测量值和计算值对实际拍摄得到的图像进行了复原。通过对以上3种复原图进行对比，实验结果证明了MTF计算值的可靠性和用于降质图像复原时的有效性。