针对Ф1.05 m空间光学系统主镜的设计指标要求，提出了轻量化反射镜结构优化设计的新方法，并建立了反射镜结构自动化仿真分析与优化设计平台，基于此平台确定了性能优异的主镜结构设计方案。主镜重量小于50 kg，轻量化率已接近国外先进水平;主镜在三球铰支撑下的第一阶模态频率为361.2 Hz，自由状态下的一阶非零模态频率为501.9 Hz;在1 ℃均匀温度变化下，不去离焦和去除离焦之后的面形RMS分别为0.55 nm和0.10 nm;主镜在30g过载加速度作用下的最大应力为16.1 MPa，均满足设计要求。采用目前最先进的第三代大口径反射镜加工工艺，路线为超精密铣磨—小磨头数控研抛—离子束精修，实现主镜面形误差的确定性去除。为保证面形检测结果的天地一致性，发展了重力卸载技术和面形误差数据后处理技术，剔除重力和其他系统误差对检测的影响。主镜最终面形精度达到0.011λ RMS，获得了高精度的光学面形，也证明了方案的合理性。

应用于空间光学系统的机械拼接机构存在润滑、热膨胀系数匹配、结构复杂、拼接偏心距小等问题, 本文提出了可应用于空间大口径拼接反射镜的磁通钉扎接口方案, 采用永磁体的等效电流分布模型并融合磁场法, 建立了超导-永磁体磁通钉扎接口的数学模型进行仿真分析, 并通过实验验证了模型的有效性。结果表明, 超导体-永磁体的间隔在5 mm时, 垂直连接刚度ky可达7 000 N/m; 当磁体-超导体的间隔为10 mm, 二者处于中心位置时侧向刚度kx可达3 800 N/m; 磁通钉扎接口在偏心距Δx=4 mm时的垂直刚度ky相比于Δx=0时下降约20%, 刚度下降不显著。相比于传统机械接口, 磁通钉扎接口在反射镜对接时具备足够的连接刚度, 可以允许更大的偏心距Δx, 同时接口的力特性使得拼接镜在重构过程中满足缓冲定位的要求。

为了满足空间遥感器对光学系统大幅宽、低畸变、小体积的要求，采用三维构建法设计了一个大视场离轴四反自由曲面光学系统，成像全视场为60°，相对孔径为D/f′ = 1/14 。阐述了三维构建法的设计思路，并采用该方法直接由二次非球面系统设计得到自由曲面光学系统，作为初始结构进一步优化。优化之后，光学系统的平均传递函数优于0.5(25 lp/mm)，最大相对畸变为0.54%。研究结果表明，三维构建法有效、快捷，极大地提高了自由曲面光学系统的设计效率。同时，基于三维构建法设计的大视场自由曲面光学系统，系统畸变显著减小，解决了大视场反射式光学系统传递函数(MTF)与畸变无法平衡的难题，满足空间遥感的未来发展需求。

介绍了一种简单的用于在外场检测空间光学系统的方法,其主要原理是通过内置点光源和外部的平面镜使系统自身产生平行光从而代替大口径平行光管。通过相位差异(PD)算法可以从点光源的图像中反演得出系统的波相差。讨论了该方法的限制。给出了仿真结果，证明了该方法的实用性。

对自由曲面的发展及应用做简要梳理, 介绍国外自由曲面空间光学系统的研究现状, 讨论3种自由曲面数理模型的特点和像差平衡能力, 阐述自由曲面光学系统相对轴对称系统和平面对称系统的像差特点以及自由曲面空间光学系统的像差控制与评价方法, 给出采用泽尼克多项式表述的自由曲面多光谱相机的设计结果, 成像视场76°, 为远心光路设计, 全视场调制传递函数(MTF)优于0.56, 适用于空间多光谱成像。

杂光测量是光学系统杂光分析的有效途径之一, 它能够对消杂光设计结果进行准确的评估。针对空间光学系统的工作环境, 考虑到其视场外有强烈辐射源(如太阳等), 采用点源透过率方法来验证光学系统抑制杂光的能力。搭建了一套无中心遮挡的离轴抛物面反射式杂光测量装置, 测量动态范围为10-1~10-11。利用该装置对口径为300mm、全视场为1.5°的卡塞格林式空间望远系统进行了实验测量, 给出了测量步骤和测量结果, 并分析了测量不确定度。该装置具有动态范围大、结构紧凑、出光口径大、准确度高(当置信概率为95%时, 测量不确定度约为1.48%)等优点, 可满足空间光学系统杂光测量的工程需要。

在空间光学系统无热化设计时,需要考虑机械结构的热性能对系统热稳定性的贡献。满足系统总光焦度和消热差、消色差要求,解出各光学组元的光焦度。再在保持光焦度不变条件下进行像差平衡。本文以成像光谱仪为例,对反射系统进行了热分析,对折射系统介绍了无热化设计的原理和方法,并给出了设计结果。