为解决航空遥感相机检焦系统故障分析、元器件选型及提高检焦精度的问题，本文深入研究了基于Ronchi光栅的光电自准直检焦法。首先，归纳总结了国内外航空相机常用的几种检焦方法， 对比了每种检焦方法的优缺点。接着，重点介绍了基于Ronchi光栅的光电自准直检焦系统的构成和工作原理，建立了数学模型，模拟了检焦系统在不同像面位置处的输出波形。然后，为衡量离焦程 度，提出了离焦评价因子的概念，接着分析了光学系统的衍射效应和像差大小、Ronchi光栅的周期选择及检焦光源的能量分布这三种因素对检焦精度的影响，给出了Ronchi光栅周期的选择方法。最 后，通过实验的方法对本文的仿真结果加以验证。实验结果表明：合焦波形的峰峰值占比0.82，对应0.05 mm步长下的平均检焦分辨力约为10%。

为了研究航空低温温度对自准直检焦系统的影响，从而指导实际检焦系统的设计及修正，本文根据自准直检焦及几何光学原理，分析了单点成像、条纹成像及有无像散条件下，成像位置、成 像宽度与接收的光强度差之间的相互关系，并给出了相关理论公式。结合实际的相机工况，对光学系统进行了相应的仿真，仿真结果显示，仿真双波峰电压值为1.4 V和0.47 V，与实际的检焦双波 峰电压值1.38 V和0.56 V基本一致。根据结果进行了温控和柔性支撑，从而使检焦正常，提高了自准直检焦系统的温度适应性。本研究对系统的温度适应性具有指导作用。

针对光电跟踪系统稳定精度测试需求, 提出一种稳定精度动态测试方法。该方法基于光学自准直原理, 采用面阵CCD探测器, 结合图像求取质心算法, 实现被测系统的动态测试, 通过该装置获得了稳定精度测试结果。结果表明: 测试50 μrad级两轴两框架系统动态稳定精度, 通过该测试方法测出其稳定精度最大为48 μrad。

以长焦距斜视相机俯角系统为研究对象, 针对高动态下自准直检焦镜筒定位精度不高的问题, 提出了一种基于高增益观测器的多环路控制策略。首先, 根据俯角控制系统开环幅频特性曲线, 建立了俯角位置控制系统的数学模型, 从控制理论角度分析了所设计控制策略的可行性; 然后, 通过实际系统进一步验证了所设计控制策略的可靠性。实验表明, 高增益观测器能够很好地估计镜筒在非惯性空间下的角速度和角加速度状态; 相比于双闭环控制方法, 本文提出的控制策略可将俯角位置控制扰动最大误差减少96.3%, 保证了镜筒的检焦位置定位精度优于0.05°, 因此具有较好的工程应用价值。

为了实现大口径望远系统中主次镜系统的装调，并提高光学成像质量，采用了一种调整主次镜相对位置的新方法高精度光学定心法。该方法不同于传统的修切垫圈调整法，可同时消除主次镜系统中因次镜相对主镜的倾斜引起的像散及因次镜偏心引起的彗差，不仅大大降低了装调难度，而且消除了系统的不稳定性。另外，通过干涉自准检验和十字丝代替光轴相结合的办法，建立了一套新的主次镜系统的检验方案。通过对主镜口径为Φ520 mm的R-C系统的实际装调和检验表明，组合前后主、次镜两组件的面形波像差均方根值(RMS)均小于等于0.03λ(λ=632.8 nm)，主次镜光轴角晃动量分别为0.72″、2″，两个镜子的光轴与其各自镜框端面的垂直度均小于等于0.005 mm，主次镜系统同心度小于等于0.01 mm，满足系统面形波像差均方根值小于等于0.07λ的设计要求。

为实现对小视场光学镜头波像差的快速、高精度检测，将自准直原理与斐索型激光球面干涉仪检测波像差原理结合起来，提出一种基于自准直原理的光学镜头波像差检测系统。介绍了斐索型激光球面干涉仪检测波像差的工作原理，并详细论述了基于自准直原理的波像差检测系统的装调及检测方法。结合自准直光路的特点，实现对干涉仪光轴、被测光学镜头光轴以及高精度平面反射镜光轴的精确定轴，从而实现了系统光路的快速装调。实验证明，此系统可有效解决小视场光学镜头在波像差检测过程中的光轴偏斜问题，实现小视场光学镜头波像差快速、准确的检测。

为提高光电式光栅刻划机的控制精度，设计了一种自准直式激光光栅外差干涉仪的新型测量系统。以光栅衍射和偏振光学为理论基础，结合电子学的相关知识对系统进行了理论分析，设计了基准光栅，并进行了大量的实验研究。由实验研究可知，这种利用光栅的自准直衍射和以光栅栅距作为计量基准的干涉测量系统，具有受环境因素的影响低，结构简单、装调方便等优点；采用双频激光得到的测量信号增益大，信噪比高；该系统用于光栅刻划，得到的栅线间距刻划偏差优于10nm，在3mm行程内累积误差约为0．3μm。结果表明，该系统具有纳米级分辨力，用于实时测量控制系统，测量误差很小，完全达到了中阶梯光栅等特种光栅对刻划机的高精度分度要求。