由于现有评价与测试方法不能满足3～4 m地基光电探测系统在不同仰角下对光学系统波前检测的需求, 本文提出了基于子孔径斜率离散采样, 再重构全口径波面轮廓的波像差测试方法。采用光学模拟与数学分析协同仿真的方法, 研究了波面重构算法的不确定度以及扫描运动引起的子孔径倾斜误差、子孔径扫描位置误差、像点坐标测量误差与波前复原精度间的作用规律。仿真结果显示, 迭代算法的相对误差ΔPV为0.002 8λ(λ=632.8 nm), 模式算法的相对误差ΔPV为0.002 7λ。当子孔径倾斜误差小于0.2″, 波面重构误差ΔPV约为0.02λ。当子孔径采样位置精度优于0.2 mm, 其引入的波面重构误差小于0.04 nm(PV); 当子孔径像点坐标提取精度优于5 μm, 波面重构误差ΔPV约为0.03λ。研究结果表明, 当考虑波面重构过程中的实际测量误差时, 模式算法的误差容限较高, 收敛性更好。此外, 构建实际测试装置时, 需引入角度监测与算法误差补偿机制, 子孔径倾斜角度监测系统的测角精度需优于0.2″。

针对大口径空间光学反射镜对轻量化的需求, 提出了基于筋板式基结构的大口径空间反射镜构型设计的拓扑优化方法。该方法利用基结构拓扑优化的思想, 将反射镜初始设计域限定为筋板式的反射镜基结构, 通过各筋板的有无描述结构构型的变化。首先, 借鉴连续体结构拓扑优化的思想, 以壳单元离散筋板结构, 以加筋板各单元的相对密度为设计变量(通过相对密度取1或0, 描述该单元所在区域的筋板是否存在), 以光轴竖直工况下镜面面形误差为设计约束, 镜体的质量最小为优化目标, 建立了镜体结构构型设计的拓扑优化模型; 然后, 以拓扑优化所得构型为基础, 提取并形成结构概念构型; 最后, 采用有限元法进行动静刚度分析与光学性能分析, 并对结构进行修正, 形成性能更好、满足要求的反射镜轻量化结构创新构型。文中的设计实例得到的反射镜镜面面形误差PV值小于λ/10, RMS值小于λ/40, 第一阶自振频率大于1 000 Hz, 轻量化率达到86.0%。得到的结果验证了本文方法的有效性。

为了实现1.23 m望远镜在环境温度从－35℃～+55 ℃变化范围内，光机系统的成像质量的指标要求，本文从原理上分析了温度变化对光机系统中光学元件面形准确度及相对位置关系的影响，推导出了主次镜间光学间隔变化与像面离焦量的比例关系.通过对1.23 m望远镜光学结构的像质分析，结合光机结构设计，搭建了适合环境温度变化的光机系统，从方案设计上满足了望远镜系统的成像要求.通过实际的成像实验，验证了温度变化导致的主次镜光学间隔变化对望远镜系统成像带来的离焦的影响，并给出了具体的温度补偿措施，即采取次镜调焦的方式，可满足具体观测实验的要求.同时，为今后1.23 m望远镜以及类似的大口径望远镜系统的实验和技术改造提出了切实可行的意见.