为了更好地对三十米望远镜三镜, 即巨型科学可控反射镜(Giant Steerable Science Mirror, GSSM)的抖动(Jitter)特性进行研究, 利用信号的复数表达分别分析了时域积分与频域积分的特性, 明晰了二者之间的关系, 并从积分精度的角度上, 选择频域积分作为GSSM Jitter 数据的处理方法。同时, 对比了高精度编码器以及高精度加速度计对抖动测量的适用性, 验证了使用加速度计测量的合理性。针对 GSSM 内部振动的影响, 选择频响函数法测量内部作用力。最后, 对GSSM缩比模型进行了Jitter检测, 得到镜面方向Jitter 为0.079 7 μm, 方位轴方向为14.143 2 mas, 俯仰轴方向为20.747 5 mas, 内部作用力为0.003 3 N。

巨型科学可控反射镜(GSSM)缩比模型(GSSMP)的子孔径拼接误差的分析可以指导GSSM的面形检测工作.GSSMP子孔径拼误差包括子孔径刚体位移误差以及中频扰动.对子孔径刚体位移误差而言, 合理的靶标布置以及最小二乘算法的使用, 可将误差量级降低到计算机可分辨的最低程度, 即不引入算法误差; 同时也降低了对测试执行部件的精度要求.对中频扰动误差而言, 可结合标准平面镜与干涉仪对实验环境中大气湍流的影响进行估计.除此之外, 对子孔径拼接顺序带来的误差进行分析.最后, 基于三十米望远镜的面形评价方法, 即斜率均方根对上述误差进行换算表征.算法修正后, 子孔径对准误差为 10－6 μrad、子孔径平移误差为10－6 μrad、子孔径倾斜误差为10－6 μrad以及大气扰动误差为0.04 μrad.利用信噪比来表征拼接顺序所带来的影响, 使用一个子孔径作为基准进行拼接的情况下, 拼接顺序带来的影响小于2%.本文的拼接算法, 可以在较低的机械精度下, 利用靶标对准与合理的拼接顺序, 达到较高的拼接精度.

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。

三十米望远镜(TMT)的三镜(M3M)及其缩比反射镜(M3MP)为椭圆形反射镜，采用18 点whiffletree 支撑结构。总结了望远镜支撑点优化方法的发展，并采用多学科集成优化软件ISight 对M3MP 进行了支撑点优化。优化的目标函数选取M3MP 在光轴竖直状态下的镜面面形误差SlopeRMS 值，优化算法采用全局优化算法模拟退火算法。最终面形误差SlopeRMS 相较初始点下降了14.3%，结果表明优化方法有效。

介绍30 m望远镜(TMT)的相关背景以及我国在TMT项目中承担的任务。从TMT三镜系统的总体要求出发, 论述了三镜系统的两个主要部分(M3CA和M3PA)的具体要求、技术难点以及初步方案。针对M3CA, 介绍了底支撑方案和侧支撑方案, 采用Kinematic的底支撑方案时其面形精度RMS可以达到109.7 nm, SlopeRMS为0.95 μrad, 采用Kinematic的侧支撑方案时其面形精度RMS＜15 nm, 一阶谐振频率等于17.7 Hz, 均达到了设计要求。针对M3PA, 介绍了Tilt轴系和Rotator轴系的方案。最后, 简要介绍了三镜控制系统(M3CS)的要求和目标。

三十米望远镜(TMT)是一台Ritchey-Chrétien(R-C)式的30 m口径光学红外望远镜，其三镜为椭圆形平面镜，口径为3.594 m×2.568 m，重量达到1.8 t，三镜系统需要把来自次镜的光折转到望远镜两侧耐氏平台上的一系列科学仪器上，具有跟踪和快速定向功能。三镜支撑系统必须保证镜面面形优于λ/5(波长λ=632.5 nm)或者均方根(RMS)斜度小于1 μrad。支撑系统包括底支撑系统和侧支撑系统，底支撑系统采用18点Whiffletree结构，通过优化分析，面形RMS值达到118.5 nm。针对三镜在支撑结构作用下的面形不能满足设计要求的特点，提出了采用力矩进行校正的方法，使镜面面形满足了设计要求。

针对美国30 m望远镜(TMT)三镜系统在工作时的特殊要求，对三镜系统的Rotator组件轴承进行了设计，提出了在载荷连续变化条件下轴系的设计方法。通过分析该系统独特的运动和受力方式并对比现有大型望远镜结构形式，确定了三排滚柱支撑的轴系方案及轴承结构参数。计算中将天顶角定义为变量，确定了轴承的最恶劣工况及此时的望远镜指向。采用了数值计算和有限元仿真的方法对这一条件下的轴承变形和应力同时进行校核，两种方法得到的结果符合得很好，证明了模型的正确性。结果表明，天顶角为0°~65°时，轴承在x、y、z方向上的变形不超过0.015 mm，轴承倾角不超过1.7×10-5 rad，满足设计要求，并留有很大裕度。

为了充分了解三镜在大口径望远镜系统中体现的功能，满足口径日益增大的望远镜系统研制要求，对国内外大口径望远镜中应用的三镜系统进行技术性的调研和总结。从望远镜光学系统结构发展、口径变化、功能要求等三方面对三镜系统进行详细的技术阐述，并结合三十米望远镜(TMT)三镜系统的概念设计进行了具体的技术说明。结果表明，三镜在望远镜系统，尤其是大口径望远镜中的作用越来越突出，并且随着望远镜技术的发展，对三镜系统赋予的功能要求也越来越丰富与严格。