变曲率反射镜是一种主动光学元件，通过改变自身曲率半径实现对波前的动态控制。首先对变曲率反射镜国内外现状及发展趋势进行了综述；其次，建立了变厚变曲率反射镜形变物理模型，对兼顾大中心形变与高面形精度的机理进行了理论分析，并通过形变的面形精度保持实验对其性能进行了验证；最后，从三个方面探索了变厚变曲率反射镜在空间光学相机中的应用：1）针对大变倍比变焦成像对反射镜超大中心形变的要求，设计了基于有限元迭代并叠加高阶球差的反射镜优化流程，实现了近毫米级中心形变反射镜设计；2）针对空间光学相机成像对调焦精度及速度的要求，提出了基于次镜变曲率反射镜的高精度大动态调焦方法；3）提出了积分时间内利用变曲率次镜沿光轴方向快速扫描的编码成像方法。

为了实现定距离、较大视场范围某低速点的快速方位角及高程测量要求, 采用点型光源、伽利略望远镜与柱面镜组合式长焦光学系统及双正交线阵CCD, 搭建了一种复合柱面镜长焦光学测量系统.该组合式长焦光学系统无一次成像面, 系统光学长度短, 系统前组为伽利略型望远镜型式, 接近无焦.在一定测量范围内, 选择合适的前组角放大倍率和前组口径等参量, 使得在不同位置的点所成线像均与双线阵CCD正交.有针对性地优化光学系统设计、选择合适的系统评价函数并对系统装调及测量原理进行准确度分析.结果表明, 该系统在测量距离为10 m, 视场范围1.5°×1.5°内时, 方位角测量误差在±2.5″以内, 且系统长度较短, 公差较宽松.该系统解决了光源合作目标尺寸严格受限的问题, 探测器尺寸较大且成本较低.

提出了一种利用表面刻有周期性规则图案的陀螺转子进行非接触式角度测量的方法，这种方法利用光电传感器读取陀螺转子表面的图案信息，从而实时测量陀螺转子的偏转角。介绍了这种测角方法的原理和测角装置的结构，并建立三维几何模型，详细推导了测角方法的角度解算算法，得到了陀螺转子在无偏转、一维偏转及二维偏转三种情况下的偏转角与光电传感器测得的陀螺转子表面图案信息之间的关系曲线或曲面。计算结果表明，两个正交方向的光电传感器共同探测,即可得到陀螺转子的偏转角及偏转方向，其结果唯一，且测角范围大于30°。该测角方法可用于静态测量和高速动态测量。

为了提高点源透过率(PST)测试系统的杂散光测试能力及测试精度, 提出并设计了一种标准镜头, 用于在大离轴角范围内对系统的杂散光测试范围及测试精度进行标定。利用简单的物理模型设计了一种在实验室内对点源透过率测试系统杂散光测试精度定标的标准镜头; 测量了标准镜头的表面物理参数, 并将其带入TracePro软件计算出了不同离轴角对应的PST。对设计分析的PST值与实测的PST值进行比较, 从而计算得到了该测试系统的测量精度。验证实验表明, 该标准镜头的PST分析值与实测值之差优于lg/0.5, 满足实验室内对点源透过率测试系统杂散光测量精度进行标定的要求, 是PST绝对测量的可靠方法。该项技术为国内PST测试系统的精度校准问题提供了技术保障。

基于二维自准直仪和坐标系旋转变换矩阵, 提出一种高精度、高稳定性三维姿态角(偏摆角、俯仰角和滚转角)测量方法, 并设计了一种三维测角装置。介绍了该装置的工作原理和结构组成。建立了三维测角模型, 根据自准直测角原理和坐标旋转矩阵推导了理论算法。基于测量要求设计了光学系统, 采用现场可编程门阵列(FPGA)单芯片实现了实时双CMOS图像传感器的驱动成像、像点识别与细分定位、三维转角计算及与USB的快速通信。提出了三维测角装置的标定方法, 保证了实际设备参数与理论设计数据的统一。最后对提出的滚转角测量算法进行了实验验证, 并分析了影响测角精度的因素及其影响程度。标定和试验结果表明: 在±20′的视场范围内, 三维测角装置的偏摆角、俯仰角和滚转角的测量精度分别达到了2.2″, 2.5″和8.7″。该结果验证了设计的装置结构简单、稳定可靠、精度高, 且易工程实现三维姿态角的测量。

摄像机在曝光时间内与目标的相对运动会产生像质模糊，且速高比(或速距比)越大，模糊状态越严重。目前，光学式像移补偿方法主要采用反射镜元件，针对其存在像旋校正机构复杂、运动定位控制难度大、摆扫式易产生光学振荡等缺点，提出了应用旋转双光楔系统进行像移补偿的新方法。建立了双光楔系统的动态作用矩阵数学模型，分析了光楔组件在各种独立运动状态下的出射光矢量轨迹，进行了软件仿真。根据实际的像移补偿需求，给出了双光楔系统的设计结果及控制方法。仿真和分析结果表明：双光楔系统具有结构紧凑、控制方法简单、运动平稳、补偿能力强等显著优点，对于大速高比(或速距比)的应用场合具有重要的实际意义。

为了实现玻璃内应力的高精度测量，提出了一种磁光调制的新方法，建立了基于磁光调制的内应力测量系统。首先，根据偏振光的穆勒矩阵描述方式推导了该系统的测量模型，通过分离被测信号的直流、基频和各次谐波分量，并利用“归一化”的方法，消除了光强波动对测量结果的影响，并根据处理接收到的各信号分量得到玻璃内应力方向和应力双折射大小。通过测量玻璃的不同位置验证了该方法的有效性，内应力方向的测量精度为5″，应力双折射的测量精度低于0.5 nm/cm，且系统具有稳定性高、精度高等特点。

提出一种基于偏振干涉的单光路近红外光谱仪光学系统.针对光纤耦合卤钨灯光源,设计离轴抛物面镜准直和会聚光学系统.氦氖激光作为采集控制光源, 用冷光镜与近红外光束实现分合.采用正交放置的格兰-汤普逊棱镜为起偏和检偏器, 设置补偿晶体和扫描光楔完成偏振干涉的相位补偿.近红外光偏振干涉光谱仪光学系统的光谱范围为800～1 700 nm,理论光谱分辨率优于8 cm-1 ,通光口径Φ10.4 mm.质量评价表明, 全视场点列图均方根半径值约为1.7 μm, 垂轴色差小于0.2μm, 全视场范围内几何包围圆Φ14 μm之内能量达到100％.

为测量超短单脉冲激光的时间波形以及对比度信息，基于三阶强度相关原理，结合光脉冲复制技术，提出了基于脉冲复制的测量方法。对测量原理进行了详尽的理论分析。利用分步傅里叶和龙格库塔数值计算方法对测量方案做了模拟验证。基于脉冲复制的测量法能同时进行多窗口测量。通过拼接测量时间窗口，可以有效解决测量分辨率与测量时间窗口不能兼顾的问题，同时实现大时间窗口和高分辨率测量。通过将主脉冲与预脉冲分离到不同的测量窗口，避免了梯度衰减片的使用，且具有高对比度测量能力。

提出了一种采用磁光调制与光源调制技术高精度测量偏振棱镜消光比参数的方法并建立了相应的消光比测量系统。首先, 根据偏振光的琼斯矩阵描述方式推导了系统的测量模型; 采用磁光调制方式, 实现了待测偏振棱镜晶体光轴与起偏器晶体光轴夹角的高精度定位。然后, 采用光学斩波器对光源进行方波调制, 消除了各种噪声对系统测量精度的影响, 使得系统在待测偏振棱镜实现光轴精确定位后能够准确测量光强值。最后, 对待测偏振棱镜进行了多次测量并求取平均值。实验结果显示, 对偏振棱镜消光比参数的测量精度为10-6 , 验证了提出方法的有效性和稳定性。该系统精度高、稳定性好、容易实现工程化, 对偏振器件的性能检验和实际应用具有指导意义。