基于可调谐红外激光的能源化学研究大型实验装置的核心器件是两套自由电子激光振荡器，能够产生覆盖2.5～200.0 μm波长范围的连续可调的中红外和远红外激光光谱。每套振荡器包括一个波荡器、一对由位姿可调的镀金球面反射镜和真空室构成的谐振腔以及三个POP-IN探测器。在准直过程中，需要保证波荡器磁中心、金属球面反射镜轴心和电子束流中心线达到很高的共轴精度以实现激光的饱和输出。为了实现对波荡器束流的监测，需要通过准直的手段保证反射镜的光可以通过三个由步进电机控制的POP-IN上的直径为1 mm的小孔。采用激光跟踪仪配合光电自准直仪，对谐振腔进行了准直，谐振腔反射镜的横向倾斜度小于50 μrad，横向离轴偏差小于0.1 mm。使用激光跟踪仪结合准直望远镜，实现三个POP-IN的工作点位置与电子束流中心线共轴，共轴精度为0.15 mm，并通过激光器搭建在线准直系统，将真空外准直激光照射到腔体内部以调节反射镜姿态。开展了离线标定实验和现场安装，红外自由电子激光装置的顺利出光证明所提方案是可行且可靠的。

针对图像跟踪仪测量精度随外界因素发散的问题，提出了基于自准直仪的图像跟踪仪检测方法。利用图像跟踪仪背部的基准镜和自准直仪超高的角度测量精度，实现了图像跟踪仪测量精度的快速标定检测，测量精度为2.5″。实验结果表明，图像跟踪仪的测量精度会随环境应力而改变，且基于自准直仪的图像跟踪仪检测方法可以实现对其精度的测量。

针对圆光栅安装倾斜、光栅变形等因素造成的精密减速器检测仪测角系统精度降低，传统误差补偿方法采样点数受多面棱体工作面限制，导致补偿效果不足的问题，提出一种多数据关联的误差补偿方法。采用自准直仪结合正24面棱体对圆光栅测角误差进行标定，通过改变多面棱体与圆光栅在周向方向上的相对位置，得到多组测角误差标定数据。利用误差谐波法对多组测量数据进行预处理，将不同组数据关联，并代入BP神经网络中训练，得到圆光栅测角误差模型。该方法无需计算补偿式，能够克服误差谐波法在样本点过多时易产生拟合震荡的问题。实验结果表明：本文所提出的补偿方法残差峰峰值在0.94″内，标准差为0.25″，分别减小至误差谐波法修正后的33.3%和37.9%，有效提高了圆光栅测角系统的精度，使减速器检测仪测角精度达到亚角秒级。

光电编码器测角误差的检测是编码器在研制和生产过程中必不可少的工作。目前, 人工手动检测装置检测过程复杂、效率较低, 耗时较长, 很难用于批量生产的产品检测。为了弥补现有手动检测装置的不足, 以自准直仪-多面棱体组合作为测量基准, 以步进电机和STM32来实现自动化, 设计了一种绝对式光电编码器测角误差的自动检测系统。阐述了系统的检测原理及软硬件设计, 分析并计算了系统精度, 其扩展不确定度为1.6″。对同一编码器进行手动和自动检测后, 结果分别为6.3″和7.3″, 实验表明检测系统自动检测结果准确。通过本系统进行检测, 检测过程无需人工操作, 效率较高, 在光电编码器的批量检测中, 可以体现出本系统的优势; 此外, 相较于传统的人工手动检测, 通过本系统进行检测更能反映编码器在实际工作中低速转动时角度位置精度的真实情况。

为了保证大口径光学镜面加工检测的质量和效率, 提出了提高大口径光学系统镜面视宁度检测精度的方法。利用电子自准直仪以及平面镜确定波前斜率, 推导了基于斜率信息与镜面视宁度之间的关系。为了提高测量精度, 突破单台自准直仪精度限制, 采用三台自准直仪进行互标校。为了进一步降低误差, 使用六自由度平台支撑立方反射体, 使精度提高至0.01″量级。另外, 结合频响函数的相关理论, 估计得到了六自由度平台在检测环境下所引入的误差。最后, 引入标准化点源敏感性(PSSn)对结果进行评价, 并开展了数值仿真实验。针对模拟镜面视宁度, 分别计算两个方向的斜率功率谱以及原始波前功率谱, 然后利用之前给出的功率谱与PSSn之间的关系得到了两个方向的PSSn均为0.999。该镜面视宁度测量方法可以在模拟望远镜实际工况下, 完成对于系统主镜视宁度的定量预测。

为了提高圆分度仪器分度误差的测量精度, 介绍了用多面棱体自准直仪测量分度误差的原理和方法, 对影响测量结果的误差源进行了分析。根据测量原理建立了多面棱体和自准直仪坐标系, 利用坐标变换分别建立了多面棱体工作面与受检仪器轴线的平行差、自准直仪光轴与多面棱体工作面不垂直度误差、自准直仪电十字竖线与受检仪器轴线的平行差对分度误差影响的精确模型。在实验室内, 以单轴位置转台的定位精度为测试对象, 设计了以上三种位姿失调误差模型的验证实验, 实验结果与理论模型仿真结果具有很好的一致性, 三种位姿失调引入的误差实测值与理论值的最大偏差小于0.9″, 验证了位姿失调量引入测量误差模型的正确性, 该模型及仿真结果可以准确指导圆分度误差测试。

在单探测器型复合轴系统中, 子轴跟踪启动后, 主轴因没有适当的控制输入而处于开环状态, 易导致目标脱离视场。为了避免这种情况, 需要系统将精确的压电陶瓷(PZT)位置反馈给主轴。单独使用PZT振镜的开环系统时, 无法对PZT振镜的倾斜角度进行较高精度的控制, 若辅以检测补偿系统, 则可以提高系统的控制精度。目标位置检测对于振镜控制具有重要的作用, 它为开环状态下的伺服系统提供精确的控制信息, 以保证目标始终在视轴的中心位置。根据PZT振镜的物理结构特点, 研究单探测器型复合轴系统中振镜位置的检测方法, 给出电路的设计原理, 同时提出一种新的利用光学自准直仪的标定方法; 给出控制公式, 并重复进行多组实验, 以对控制公式进行验证。实验结果表明, 控制误差可以保证在20 μrad以内。该研究结果为单探测器型复合轴的控制系统设计提供了基础。