基于傅里叶光学的基本原理和稀疏孔径光瞳结构,建立了子镜与衍射拼接主镜厚度误差间的关系模型。在子镜无衍射结构一侧微变形情况下,给出了任意低阶面形误差引入的相位差的一般表达式。以球面变形为例,分析计算了面形误差的容许范围,并采用ZEMAX光线追迹法对结果进行了交叉验证。对于子镜双侧无变形的特殊情况,运用蒙特卡罗方法讨论了子镜间厚度的一致性对拼接主镜成像质量的影响,给出了正态分布条件下衍射拼接主镜相干成像时子镜厚度误差的方差与极值范围。根据理论设计结果加工了两片离轴衍射子镜,开展了双子镜拼接成像性能实验。实验结果表明,衍射拼接主镜能提高等效分辨率。

多子镜拼接的方法可实现大口径菲涅耳衍射透镜制作,但拼接误差会对光学系统的成像质量造成影响。通过衍射光线追迹和波前恢复的方法,正向得到了子镜沿自身x'轴倾斜、y'轴倾斜、z'轴平移等面外误差与对应波前误差Zernike系数的数据库。利用数据库基于反向传播神经网络优化算法反向建立波前误差Zernike系数与对应面外误差的非线性耦合映射模型,可实现通过输入Zernike系数完成对面外误差耦合扰动情况的快速求解,运用带有符号的数值判定面外误差的大小及方向。对该模型进行模拟数值计算,验证了该方法的精度及可靠性,为衍射拼接主镜的共面检测、装调提供理论依据。

提高光学系统分辨率的主要方法是增大光学系统的通光口径，而使用子镜拼接得到一块等效大口径主镜是增大通光口径的常用方法。拼接主镜光学系统入轨后子镜进行展开，展开位置与设计位置偏差大小决定光学系统成像质量好坏，因此需要对子镜展开位置的精度进行分析。使用光学软件对拼接主镜光学系统建模，调整子镜6个自由度的位置误差得到其与系统成像质量的关系曲线。结果表明，针对不同位置的子镜，相同位置误差产生的系统波前误差的均方根（RMS）值大小不同，中层子镜对沿着X轴方向的移动敏感，而外层子镜对沿着Y轴方向上的移动敏感。通过对每个子镜单独分配位置误差与每个子镜分配相同的位置误差两种方式对子镜的展开精度进行误差分配，结果表明在产生相同波前误差的情况下，单独对每个子镜位置误差进行定义的精度相对较为宽松。

本文根据几何光学原理, 利用光线追迹方法建立的拼接望远镜光学系统的仿真模型, 分析计算了拼接主镜中分块镜曲率半径误差对拼接望远镜光学系统的影响。当主镜为单镜面时候, 其曲率半径误差引起的波像差可以通过调焦进行补偿; 当主镜为分块镜拼接镜时, 由于分块镜曲率半径误差的随机性, 望远镜光学系统无法对波相差进行有效补偿, 对分块镜的曲率半径要求很严格; 当对拼接主镜进行共相后, 相当于补偿掉单个分块镜中由曲率半径误差引起的平移和倾斜误差, 望远镜像质有很大提高并降低了对分块镜曲率半径误差的要求。

提出傅里叶望远镜外场成像实验的光学系统组成，详细介绍光学系统的装调和检测过程，并对模拟目标进行成像实验。采用3束不同频率的激光照射模拟目标并在目标表面形成干涉条纹，利用拼接主镜接收散射回波能量，再经次镜汇聚，最后进入压缩透镜组被光电倍增管探测。实验结果表明：主镜支撑结构稳定性优于0.075 mrad，子镜指向调整精度优于0.05 mrad，对安装的61块子镜进行共焦试验，光斑质心重合精度小于20 mm。最后，对3 mm的模拟目标进行外场成像实验，结果表明：室外环境下傅里叶望远镜的成像效果与实验室内成像效果及计算机仿真结果吻合较好，为后续反射模拟目标的成像提供了参考。

针对拼接式大口径望远镜主镜，提出一种基于迈克尔逊干涉原理基础上的宽带光谱(白光)干涉检测方法，对拼接子镜间相位误差进行实时检测，进而对失调子镜进行相应校正，以实现拼接子镜的共面排布。子镜间相位误差通过干涉图形间的不匹配性进行提取。应用双中心波长组合白光源来提高白光中心条纹的可见度，通过理论仿真，对不同中心波长组合的白光中心条纹可见度进行比较，结果表明：该双中心波长组合白光源系统的应用，可以提高白光干涉中心条纹的信号分辨能力，借以提高检测精度，使得该白光干涉检测系统对拼接子镜间的相位失调误差进行高精度提取。

空间可展开光学系统采用的是主动控制的拼接主镜。基于波动光学衍射理论分析了光学系统在几种展开方式下由主镜形状、分块镜间隙等因素引起的衍射效应，这为评价展开方式提供了光学理论依据。