针对一种空间相机新型单杆主承力结构，采用波像差灵敏度模型和集成仿真分析两种方法，实现光机结构轻量化设计过程中的系统波像差评价，以保证在力学条件下的成像质量。所提出的波像差灵敏度方法能够基于波像差与失调量的线性关系进行构建，对于以相机成像质量为约束条件指导光机结构的优化设计具有重要意义。首先，基于光学系统的失调原理，推导了光学元件失调量与系统波像差的灵敏度模型。然后，采用有限元方法获取力学工况下的节点位移量，并基于最佳拟合（best-fit）方法计算主、次镜的失调量，对失调后的系统进行光学分析得到系统的波像差。最后，针对5 kg级空间光学相机，采用所提出的两种方法进行了建模与分析，并开展了相应的重力工况分析与试验。灵敏度分析方法相对于光机集成软件仿真方法误差为16.8%，所提出的方法能够应用于设计阶段对系统成像性能的快速评估。

基于半主动光学技术的半主动支撑，通过力矩促动器(Warping Harness, WH)弹簧叶片将校正力转换为校正力矩，对由重力、温度等误差源引入的镜面低阶像差进行校正。针对利用传统经验设计反射镜时存在的设计缺陷，提出一种反射镜支撑系统优化设计新方法，即结合结构尺寸优化和经验设计的镜面支撑系统综合设计优化方法，并建立一套基于WH 的半主动镜面支撑系统。首先，按照经验公式设计了支撑系统初始结构；设计了一款L形镂空式WH弹簧叶片，并对其开展了非线性分析及疲劳分析，确定叶片厚度为2 mm、寿命为1.2×10⁶次。然后，通过优化镜面支撑点位置、三角板柔节位置、支撑系统柔性件关键尺寸参数，将光轴竖直及水平状态下镜面RMS值由119 nm和106 nm分别降至13.3 nm和4.8 nm；1 °C温差状态下镜面面形差由2.8 nm降至1.9 nm；一阶谐振频率由80 Hz提升至130 Hz。最后，采用提出的方法对半主动支撑系统的校正能力进行验证。结果表明：本套半主动支撑系统对镜面离焦、初级像散、初级慧差、初级球差的校正率最高可达99%，且校正后各像差幅值均小于1 nm；室温自重状态下对镜面面形RMS值校正率最高可达46.5%；温升10°C情况下的校正率为31.28%。

针对20 kg级微纳光学遥感卫星微型化视频相机要求，详述了其光机系统的设计、装调和试验，以及所使用的集成优化设计技术。该相机采用卡塞格林结合校正镜的光学系统，包括两个反射镜和一个校正镜组，为了获得最优的力热稳定性，反射镜采用了碳化硅材料。首先，基于20 kg级微纳视频卫星的任务及总体设计，提出了其所搭载的视频相机的指标要求；然后，分别介绍了该视频相机光学和光机结构系统；为了进一步提高轻量化率，在满足光学性能要求的同时，利用光机集成优化方法进行了轻量化设计，优化后光机系统质量仅3.03 kg，整机质量仅4.76 kg，一阶基频120 Hz以上；最后，开展了系统装调和地面力学摸底试验，试验结果表明其动力学性能和稳定性良好。

根据临近空间球载望远镜高力热稳定性、高性能的要求，对其次镜组件进行优化设计。临近空间球载望远镜虽然没有火箭发射力学环境严苛，但是其独特的飞行过程受到温度变化、加速度等影响，同时由气球搭载升空，质量要求较为严格。相比于传统反射镜设计方法，采用实体优化和基结构优化相结合的方法，集成优化对镜体进行设计，引入综合评价因子优化次镜综合性能，最终次镜组件性能良好，说明优化方法有效。通过有限元仿真分析得次镜组件在重力和±3 ℃均匀温变工况下刚体位移小于3 μm，面形精度优于λ/50，在0.02 mm装配误差下面形精度优于1 nm。次镜组件一阶频率为203.8 Hz，10 g加速度应力响应（35.4 MPa）远小于材料屈服应力。采用该方法优化可获得高力热稳定性、高性能的次镜组件。

为满足超轻量化光学系统近衍射极限的性能要求，利用先进的CAE仿真与现代高性能SiC制作工艺，研究Φ500 mm SiC反射镜的超轻量化反射镜结构。首先，通过对比现有反射镜常用材料和制作工艺，选取反射镜材料。针对圆形对称反射镜结构特性，采用全等刚度设计，结合集成优化方法，设计反射镜结构形式。同时，采用背部支撑结构，完成反射镜组件结构设计。仿真结果表明：主镜质量小于5 kg，面密度小于20 kg/m²。3个方向自重变形下及4 ℃温升工况下的面形误差（RMS值）均优于λ/50；主镜组件的一阶谐振频率不小于120 Hz，动态响应分析表明最薄弱处应力小于100 MPa。满足反射镜设计要求，轻量化效果显著，结构稳定可靠。