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。

提出一种在线非接触式测量主轴径向回转误差的方法, 为验证其准确性, 搭建了主轴回转误差测量装置并进行了比对实验。该方法主要由圆光栅、读数头、环形平面镜以及激光自准直仪组成。首先, 将圆光栅及环形平面镜安装在主轴上, 并在双顶尖装置中将光栅安装偏心误差和平面镜与主轴不垂直误差进行标定。然后, 将主轴安装在转台上, 双读数头对径安装, 自准直仪安装在平面镜下方。在主轴回转过程中, 双读数头圆光栅可以测得主轴径向运动误差, 自准直仪可以测得主轴径向运动误差方向上的偏摆角误差。最后, 根据主轴上一点的径向运动误差及其在此方向上的偏摆角误差便可以计算出主轴轴向各个点的径向回转误差。设计了比对实验, 结果表明在主轴径向回转误差为±12 μm时, 本方法与传统单向法比对残差在1 μm以内。本文提出的主轴径向回转误差测量方法可以应用到精密主轴回转类装置中, 实现在线检测主轴径向回转误差的目的。此外, 该方法无需采用标准球, 不受轴表面粗糙度、圆度等的影响。

零位走动量是衡量瞄具稳定性的重要指标之一。由于普通瞄具对零位走动量要求较低,在测量其零位走动量时往往忽略了瞄具的重复装卡误差对零位走动量的影响,但在高精度瞄具的零位走动量的测量中,重复装卡误差是不能忽略的。基于自准直仪原理,设计了一套自动消除重复装卡误差的装置。该装置由半反半透镜的自动贴合装置及光电自准直仪组成。以压力传感器配合压电陶瓷(PZT)微位移器件形成一个微动微调闭环反馈系统,实现对半反半透镜姿态的实时调整,确保半反半透镜与瞄具物镜的端面完全贴合。经实验验证,该装置在5°测量范围内可达到2″的测量精度,足以满足对高精瞄具零位重复装卡误差的测量要求。

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。