在空间激光通信实际应用过程中，受到对准误差的影响，单模光纤耦合效率低，需要对其进行精确校正。在理想条件下，首先分析不存在对准误差及其他影响因素时平面波-单模光纤耦合效率及高斯光-单模光纤耦合效率模型，然后分别研究了光纤横向偏移和纵向偏移两种对准误差对单模光纤耦合效率的影响。在此基础上，提出了一种基于多平面光转换（MPLC）技术提高单模光纤耦合效率的方法，数值仿真了使用MPLC将平面波转化为高斯光前后及校正对准误差前后耦合效率的变化情况。仿真结果表明：使用MPLC将平面波转换为与高斯光高度相似的光束后，耦合效率会比平面波直接耦合进入单模光纤提高18.54%；使用MPLC分别校正横向偏移和纵向偏移后，耦合效率均提升至99%以上。该方法突破了空间光与单模光模式不匹配的限制，可以有效校正对准偏移误差，对于提高空间光到单模光纤的耦合效率具有一定的理论意义。

点衍射干涉仪中小孔的对准情况直接决定小孔衍射光斑的形状及位置，也影响着后续光路的布置。基于瑞利-索末菲衍射理论，对非对准高斯光束入射下的小孔衍射光强分布进行了研究，给出了平移、离焦、倾斜三种对准误差下的光强分布解析表达式，分析得出了不同直径小孔在不同对准误差下的衍射光强分布情况。研究表明：平移对准误差会使衍射光斑形状发生变化，但对衍射光斑中心的位置没有影响，随着平移对准误差的增大，沿平移方向的第一暗环呈月牙状并逐渐消失；离焦对准误差对衍射光斑的位置和形状均无明显影响，但衍射光强值会随着离焦量的增加而减小；倾斜对准误差会使衍射光斑中心位置发生偏移，但衍射光斑的形状不会发生变化，并且偏移方向与斜入射方向一致，偏移量与倾斜角之间呈线性关系。

通过对光纤耦合条件的理论分析,设计了扩束型光纤连接器的光学系统,并在ZEMAX软件的混合模式下实现仿真。定量分析准直镜和聚焦镜产生的对准误差所引起的光束质量和耦合效率的变化。模拟结果表明,准直镜和聚焦镜存在偏心或倾斜误差且在允许范围内,可调整两透镜的位置补偿像差和光轴偏移以确保光束质量和耦合效率达标,并对模拟结果进行实验验证。再模拟光纤连接器在不同直径时的对准误差允许范围,并推导对准误差补偿公式。在扩束型光纤连接器的设计和装调过程中,计算对准误差补偿公式,由于准直镜失调产生的对准误差可通过聚焦镜进行补偿,既增加设计精度又简化装调过程。最后根据对准误差分析结果,自行设计并制造12 kW@600 μm的扩束型光纤连接器。

仿生复眼系统是一种多子眼拼接的大视场高分辨率成像系统, 由一级同心物镜和二级子眼镜头阵列组成。为实现大视场无缝隙拼接成像, 必须严格保证所有子眼镜头的光轴与同心物镜球心的对准误差在光学设计允许的公差范围内。首先, 基于PSM(point source microscope)定位仪的自准直原理确定PSM的基准参考零位, 然后通过转接器将PSM分别固定在所有子眼镜头安装孔中, 计算经同心物镜反射后像点质心位置与子眼安装孔轴线对准误差的几何关系式, 最后用Lighttools软件仿真检测光路并对所有安装孔对准误差进行检测。实验结果表明: 所有安装孔轴线与同心物镜球心的对准误差均小于30 μm。满足光学设计中子眼镜头光轴与同心物镜球心对准误差小于50 μm的公差要求, 从而保证了仿生复眼成像系统大视场高分辨率无缝拼接影像的获取。

利用多物理场软件COMSOL,建立241单元变形镜模型,计算得到变形镜驱动器影响函数数据。利用基于子孔径斜率法的241单元自适应光学系统光学像差校正程序,以3~60项泽尼克多项式拟合残差的均方根值为目标,分析了变形镜结构参数对系统校正能力的影响,确定了最佳参数值,计算得到最佳参数下的变形镜耦合量为11%。在241单元自适应光学系统中哈特曼传感器与变形镜之间存在不同平移和旋转误差的条件下,分析了系统对泽尼克多项式拟合能力的影响。结果表明,平移量和旋转量分别不能超过3 mm和6°。

星敏感器标定是基于更高精度的测量基准对光学系统内方位元素进行建模与最优化解算的过程。针对大视场星敏感器光学系统误差分布非理想轴对称的实际情况, 提出了一种采用视场网状分区域建模的内方位元素最优化解算方法。首先, 在补偿了星敏感器与标定系统初始对准误差后, 基于针孔模型计算主点和焦距; 然后, 在视场分区域建模思想的指导下, 采用多项式拟合结合双线性插值的方法修正畸变; 最后, 提出了基于测角误差的标定精度评价准则。经实验室标定与外场观星验证, x轴与y轴标定残差较全局建模法分别降低了35%和20%, 证明了该方法的有效性。

自由空间光通信系统需要将空间光高效耦合到单模光纤中，但聚焦光斑与单模光纤间的初始对准误差和随机横向偏移会导致极大的耦合损耗。对空间光到单模光纤耦合的理论模型进行了阐述，并分析了横向偏移及随机抖动对耦合效率的影响。在此基础上，为了提高光纤耦合效率，提出了一种基于光栅螺旋扫描算法和随机并行梯度下降(SPGD)算法的耦合方案，并仿真分析了误差校正过程及其对耦合效率的改善情况。仿真结果表明：通过设定最佳扫描步长，光栅螺旋扫描算法能够有效地校正初始对准误差，校正成功概率高于99%；校正后的残余初始对准误差集中在0.5~6.5 μm范围内，耦合效率得到初步改善；开启SPGD控制算法后，聚焦光斑与单模光纤间的随机横向偏移得到校正，耦合效率能够有效提升至0.81，接近无湍流情况下的理论极限。校正后，耦合效率得到显著提高。

由于系统装调与器件定位精度的限制，空间调制傅里叶变换光谱仪中的两个多级微反射镜在对准过程中会产生相对位置的平移和旋转。为了明确对准误差对系统产生的影响，利用线性系统理论与标量衍射理论分别建立了平移误差与旋转误差对应的干涉图像与复原光谱的模型。通过对计算结果的分析，平移误差与旋转误差均会对边缘的干涉图元进行剪裁，从而在复原光谱中引入伴线，带来光谱噪声。根据平移误差与旋转误差对干涉图像的作用特点，提出一种对干涉图像进行区域补偿的方法，通过扩展多级微反射镜的阶梯级数扩大干涉区域，然后利用干涉图像内部有效的干涉图元进行光谱反演；计算表明该方法可以有效抑制对准误差给系统带来的影响，从而降低多级微反射镜的定位精度要求。

点衍射干涉仪中小孔对准误差是影响衍射参考波面质量最主要的误差源。基于瑞利索末菲矢量衍射理论，建立了非傍轴高斯光束经小孔衍射的严格数学描述，对不同对准误差下的小孔衍射波面误差进行了分析，在分析中特别考虑了会聚光斑大小的影响。研究表明：小孔对准误差的引入使得衍射波面偏差迅速增大，且衍射波面偏差随对准误差的增大呈线性增长；相同对准误差下，衍射波面偏差随会聚光斑半径的增大而减小，要获得同等衍射波面偏差，允许的对准误差随会聚光斑的增大呈近同倍数增长。给出了0.5~3 μm小孔在不同会聚光斑直径和小孔对准误差下的衍射波面误差分布数据，研究结果可为点衍射干涉仪中会聚透镜的选取、小孔对准精度要求的确定以及小孔衍射波面误差的估计提供重要参考数据。

主次镜的对准误差是影响望远镜成像质量的主要因素。为了提高望远镜主次镜的对准精度，提出了一种基于像散分解的对准误差计算方法。该方法利用出瞳波前误差的泽尼克多项式的像散项计算出两种对准误差单独作用时的像散项的大小。以口径为1200 mm的同轴反射式(RC)望远镜为对象，仿真分析了像散分解算法的特性。当主次镜光轴不共面时，像散分解算法的计算误差随着主次镜光轴间的距离增大而增大。进而给出了基于像散分解的对准误差求解方法，并进行了仿真对准。仿真结果显示，当主次镜光轴的空间距离小于0.5 mm和夹角误差小于0.1°时，基于像散分解的对准算法可以迅速将对准误差降到5 μm和0.5″以内。仿真分析验证了基于像散分解的对准算法的可行性。