针对全息波导显示系统中输入光栅、转折光栅和输出光栅的光栅参量不一致, 导致系统设计和光栅制作难度增大的问题.对比正常配置和锥形配置下的光栅方程, 可得全息波导显示系统中全息光栅具有相同周期需要满足转向光栅60°锥形配置.由此提出波导侧面装有反射镜的三光栅单波导板显示构型, 其中三个光栅周期完全相同, 输入光栅和转向光栅条纹走向一致.使用光学设计软件CODE V对该构型进行仿真, 验证了该构型的可行性.与传统全息波导显示构型相比, 侧面反射镜的光路折叠作用使得该构型系统无效显示面积和耦合效率损失减小；三个光栅周期相同且输入光栅和转向光栅条纹走向一致, 可以降低系统设计和全息光栅制作难度.该构型可以用于虚拟现实显示或者头戴式显示.

针对望远镜副镜姿态和焦距自动调整的需求, 设计了副镜三自由度并联支撑机构构型, 分析了它们的运动学特性并讨论了构型的选取。首先, 基于约束螺旋理论, 设计了对称三支链两转一移并联机构的构型; 根据副镜支撑运动副尽可能少、低惯性、直线驱动等要求, 选取了12种可行构型。然后, 针对12种可行构型, 根据驱动输入特点和支链约束特性, 提出分类建模思想, 并建立了统一运动学模型; 引入ZXZ欧拉角法描述机构姿态, 简化了姿态空间和伴随运动的表达和分析方式。最后, 以1.2 m口径望远镜系统为例, 仿真研究了副镜并联支撑机构的伴随运动。结果表明, 支链约束力线矢平行静平台的7种构型具有更小的伴随运动, 不大于0.27 mm。该项研究为后续的精度和刚度特性研究提供了基础。

针对大口径空间光学反射镜对轻量化的需求, 提出了基于筋板式基结构的大口径空间反射镜构型设计的拓扑优化方法。该方法利用基结构拓扑优化的思想, 将反射镜初始设计域限定为筋板式的反射镜基结构, 通过各筋板的有无描述结构构型的变化。首先, 借鉴连续体结构拓扑优化的思想, 以壳单元离散筋板结构, 以加筋板各单元的相对密度为设计变量(通过相对密度取1或0, 描述该单元所在区域的筋板是否存在), 以光轴竖直工况下镜面面形误差为设计约束, 镜体的质量最小为优化目标, 建立了镜体结构构型设计的拓扑优化模型; 然后, 以拓扑优化所得构型为基础, 提取并形成结构概念构型; 最后, 采用有限元法进行动静刚度分析与光学性能分析, 并对结构进行修正, 形成性能更好、满足要求的反射镜轻量化结构创新构型。文中的设计实例得到的反射镜镜面面形误差PV值小于λ/10, RMS值小于λ/40, 第一阶自振频率大于1 000 Hz, 轻量化率达到86.0%。得到的结果验证了本文方法的有效性。