提出一种基于计算全息元件(CGH)的折衍混合补偿检测光路,通过CGH和消球差透镜组合实现离轴子镜的缩焦零位检测。该方法使得检测光路长度减少至CGH直接检测的1/4至1/8,同时提高了小焦比子镜的调节灵敏度,将大离轴量子镜的干涉图长宽畸变比率由12.5优化至1.25。保持光路各器件位置不动,通过更换相应的计算全息片,还可实现不同离轴量子镜的批量高效检测。应用该方法完成直径为330 mm的离轴试验镜的加工与检测,测试结果面形均方根(RMS)值为0.0290λ (λ为波长)。通过标准球面镜对消球差透镜进行标定,RMS值降至0.0267λ。

激光导引星系统(LGSF)是美国30 m望远镜(TMT)的组成部分之一，在满足TMT对科学目标高分辨力成像和光谱探测的性能需求方面，LGSF 具有重要的作用。LGSF 主要负责为窄视场红外自适应光学系统(NFIRAOS)和下一代TMT-AO 系统提供人造钠导星。本文主要讨论LGSF 以下几部分：设计概述，LGSF 星群模式，LGSF 波前误差分配，发射系统设计。

30 m望远镜三镜是世界上最大的平面镜, 由于其复杂的功能, 又被称作大型科学可控反射镜(Giant Steering Science Mirror, GSSM)。为了更好地分析与抑制GSSM在实现光线中继功能时的抖动, 需要对抖动有精确的测量。由于GSSM抖动的要求特殊且严格, 在测量之前, 需要对抖动测量的误差进行仔细地分析与理解, 才可以更好地完成检测任务。首先, 文中针对使用编码器进行抖动测量的情况, 在不同的测量方案以及相对距离下, 通过蒙特卡洛方法可以得到由激光跟踪仪进行标定的误差: 俯仰轴线的定位误差, 在轴上测量的期望为1 μm, 小于轴外测量的3 μm; 方位轴线的定位误差在激光跟踪仪偏离两米的情况下为4.6 μm。之后对加速度计测量抖动的误差进行了考虑, 首先推导了使用功率谱方法的完备性条件; 之后使用累积功率谱对于333B32的标定结果进行处理, 得到当采样频率为2 048 Hz, 0.05 Hz以外的频段, 其精度为0.6 μm 。抖动的测量以及误差分析, 不仅是GSSM建设过程中十分重要的环节, 同时, 它可以为大口径望远镜建设提供宝贵的统计学先验知识, 并对于系统工程的发展是一种很好的推动。

为了更好地对大口径望远镜进行误差分析以及分配, 引入了由美国30 m望远镜(TMT)团队所提出的标准化点源敏感性(PSSn), 来进行大口径望远镜的各项误差及其之间的协调与分配。为了更好地利用PSSn进行误差分配, 首先根据其定义对PSSn的基本性质进行了研究, 论述了PSSn作为全频域评价指标的优越性, 然后与传统的评价指标(波前均方根)进行了比较, 重点分析了PSSn的合成特性以及合成误差的特点, 之后利用Zernike多项式分析系统静态误差与PSSn的关系, 得到了不同的Zernike系数与PSSn之间的关系。对于系统的动态载荷, 利用功率谱结合光学传递函数的方法来研究系统的光学特性并对实际的大口径波前做出了仿真研究, 得到系统的PSSn从0.996下降到0.991。所做的研究可以更好地理解大口径望远镜的误差特性, 同时也可以帮助系统工程师对大口径望远镜的误差进行更好的分配。

利用数值方法得到任意形式振动下30 m望远镜三镜的光学传递函数, 并分析其数值精度.在光学传递函数的基础上引入标准化点源敏感性来表征振动对系统光线中继功能的影响.为了验证理论分析, 对于某大口径设备进行实验, 采用多个加速度计共同采集数据并合成信号的方法来实现镜面运动信息的解耦与测量误差抑制.结果表明：在内部振源工作的情况下, 设备点源敏感性从0.999 96下降到0.999 92; 使用二阶巴特沃兹带通滤波器后, 对于外部的力输出为0.075N.

为满足30 m望远镜(TMT)三镜系统(M3S)对质量和刚度的要求, 研究了合理分配该系统各部分刚度的方法。针对M3S的第一阶谐振频率不小于15 Hz的要求, 本文基于M3S的结构组成对模型进行适当地简化, 然后使用前期设计数据建立了四质量点弹簧-质点模型。研究了三镜支撑系统支撑刚度的组成, 使用特征值反解的方法得到了简化模型在6个广义方向上的刚度矩阵。最后,给出了系统中所有弹簧代表的刚度, 并将这一简化模型和计算结果用来指导后期的结构设计和控制设计。使用运动学仿真软件Adams对分配结果进行了验证, 验证结果显示, M3S各部分刚度配比合理, 系统的基频能够达到15.1 Hz, 满足设计要求。采用本文的刚度分配方法, 可以有效地提高系统设计的效率与合理性。

为了完成对于30 m望远镜(TMT)三镜面形的检测，引入了基于斜率的测量方法。首先，针对斜率信息分别提出了对于低阶像差拟合以及中频误差分析的方法,并利用数值仿真以及实测数据对于之前提出的理论进行验证；最后，针对所提出的方法进行了基于蒙特卡洛法的误差分配，讨论了在TMT招标方所提出的精度要求下，各个检测仪器的精度如何分配。文中使用的方法，不仅对于TMT三镜的面形检测有很好的指导作用，同时对于类似的大口径平面镜的检测也有一定助力作用。

为了更好地评价大口径反射光学元件在不同尺度下的起伏情况，提出了一种基于结构函数的子孔径拼接算法。首先，对于算法的基本原理与步骤进行了描述，从理论分析的角度对于计算误差的特性进行了分析；之后针对口径为1.23 m的大型反射镜面形数据，应用文中所提出的方法，利用结构函数进行子孔径拼接并对于其误差特性进行了检验，验证了所提出方法的可行性。最后，将该方法应用于30 m望远镜三镜(TMT M3)的面形仿真数据，得到了其在不同评价尺度下的起伏情况。文中的工作对于TMT M3 的最后完成有着重要的意义，并且对于与TMT M3 类似的大口径平面镜面形评价有着一定指导价值。

30 m口径望远镜(TMT)的三镜跟踪系统(M3PA)的运动性能和指向精度指标均高于已建成的各大望远镜，且工况复杂多变，给设计人员带来了巨大的挑战。三镜跟踪系统包括Rotator轴和Tilt 轴两部分。重点研究了Tilt轴轴承布置方案以及相应分析。提出了两种轴承方案，经过分析，使用一对双列角接触转盘轴承的方案更适合于Tilt轴的工作需要，此时结构第一阶谐振频率可达到15.1 Hz，满足Tilt轴的设计要求。选定方案后，针对所选择的轴承，使用ANSYS进行了仿真。仿真结果显示，所选轴承中滚动体的最大承载达到5 000 N，最大应力大约为2 300 MPa，承载曲线满足经典余弦分布，从而证明仿真数据可靠，模拟方法可信；另外四列滚动体上都有明显的承载，从而说明所选择的轴系能够很好地将载荷分散到两侧结构架上。分析结果表明，这种结构形式能够满足TMT三镜系统对刚度要求。