为了优化对大口径激光探测组件灵敏度、角度参数等特性的测量能力, 减小因高斯光束光强分布中间强、边缘弱的特点造成的测量值差异, 基于小口径非球面镜组光束整形及高倍率扩束技术, 设计了大口径均匀激光光束产生装置,提出了基于光强分布、非球面镜非球面度、光线光程差的综合优化整形方法。 结果表明, 设计的开普勒型非球面整形镜组非球面度小于20 μm, 工作束宽5 mm, 输出平顶光束均匀性为92.8%; 设计的40×高质量扩束系统, 与非球面镜组相匹配可实现2 m距离内150 mm口径均匀光束, 可获得优于94.2%的150 mm大口径均匀光束输出。该研究对激光测量与标定系统的工程化设计是有帮助的。

离心熔铸技术在大口径非球面镜镜胚的制造方面具有独特优势。本文通过自行研制的缩比模型实验机进行试验, 深入研究了离心熔铸工艺及成型镜胚质量, 详细介绍了模具涂层的制备、离心熔铸的加热及冷却等工艺过程, 制备了非球面镜镜胚模型。采用数值模拟与试验研究相结合的方法, 对所得镜胚面形偏差工艺参数的敏感性进行了研究。分析了模具的热膨胀系数、镜胚冷却速率、直径及加热温度对面形偏差的影响, 得到了偏差工艺参数的敏感性规律。通过对面形偏差进行两次迭代补偿, 面形偏差值从-84 μm降到33 μm, 补偿后的结果满足设计要求。采用离心熔铸技术, 可以制备满足上表面垂直偏差在30~40 μm范围内的非球面镜镜胚。

提出了一种利用非球面镜对圆环形光束进行非线性整形的方法，该方法利用两个高次非球面镜片小角度放置组成光束变换光路，能够在几乎不损失功率的情况下灵活调整环形光束的遮拦比和强度分布，也能够实现空心光束和实心光束的相互转换，且镜片加工难度低。实验结果表明，利用该方法搭建的光路与理论分析结果吻合较好，能够较好地对光束进行非线性整形。

为了满足大口径反射镜研磨阶段的面形检测需求，分析了激光跟踪仪测角误差的来源，提出了一种基于S多项式拟合的矫正测角误差的方法，该矫正方法能有效克服采样位置误差和随机误差带来的影响。针对不同频段测角误差，提出母线和米字格采样法，其中母线采样法对10%以内的标定实验随机误差有较好的抑制作用。矫正方法的可行性得以验证，从而为进一步实验提供了理论基础。

大型非球面镜通过加工-检测-再加工-再检测的制造工艺以满足面形精度要求, 根据检测后的轮廓数据准确评定面形是提高再加工精度的关键。为解决抛光前镜面的面形评定问题, 采用基于信赖域法则的Levenberg-Marquardt算法对参数进行拟合、误差补偿以及面形评定。利用Code V仿真分析算法性能, 构建大型非球面轮廓仪测试抛物面加工件, 对实测数据经过32次迭代得到元件参数及轮廓残差曲线, 收敛精度为1.16×10-21。实验表明: 该算法可对大型非球面镜轮廓数据进行高效准确的拟合、评定, 为进一步提高再加工精度提供可靠依据。

为了折叠光路、减小系统像差，空间遥感器的光学系统经常需要使用非球面镜。在非球面镜的光学检测中，补偿器的支撑结构是不可缺少的设备。在定义补偿器的自由度和坐标系的基础上，结合补偿器在非球面镜检测光路中的位置和作用，分析了调节补偿器需要的自由度。基于自由度分析结果，确定了支撑结构应实现的功能和结构形式。论述了一种支撑结构的结构设计，并给出了该支撑结构的调节精度分析结果。分析结果表明，该支撑结构的位移调节精度为1.4 m/deg，角度调节精度为0.007 rad/deg。实际的工程应用表明，该支撑结构能满足使用要求。

介绍了光学追迹计算中采用的空气折射率公式，分析了在水平和垂直两种检测情形下，不同曲率半径球面反射镜因空气温度分层导致的像质变化。对Φ1.5 m 、离轴量为12 m 近抛物面拼接子镜在水平和垂直状态检验时受温度梯度影响情况进行了计算和分析。最后在上述两种状态下仿真计算了温度梯度分布对Φ4 m，焦比f /2的大口径抛物面反射镜的影响情况。结果显示，一般来说水平检验光路像质变化远大于垂直检验，其中大口径快焦比的抛物面镜垂直检测空气温度分层因素的影响结果也需考虑和控制。

研究了大口径非球面光学元件表面轮廓测量过程可视化，并设计、开发了基于双向链接边表的软件系统。提出一种改进的双向链接边表数据结构完成三维模型加载方法，建立数据结构及其相关图形元作为软件的基础层。计算非球面曲面方程获得表面轮廓的数据生成图形场景节点，并自动生成曲面测量轨迹。在非接触检测平台上进行测试，对测量数据进行平滑处理，拟合出测量获得的非球面面形，完成面形精度和表面粗糙度的评价。实验结果表明，该可视化系统技术路线正确高效、稳定性好，为非球面检测数据及其综合分析仿真提供直观的可视化平台。

首先介绍了高斯光束平顶整形的应用价值及一些主要整形方法, 由于非球面镜整形的优点, 本文研究非球面镜整形法。选择费米 -狄拉克函数作为平顶光束模型, 并分析了其平顶分布与特性参数之间的关系。理论分析了非球面镜整形原理, 根据能量守恒定律和光线追迹函数推导出非球面面形表达式。考虑到加工因素, 分析了影响非球面度的系统参数, 根据分析, 选择适当的参数, 用 MATLAB软件对映射关系和面形曲线进行数值求解并拟合得到非球面系数。用 ZEMAX光学软件对整形系统进行建模, 通过物理光学传播 POP仿真可以得到输出光束的光强分布和传输特性, 结果输出光束的平顶质量接近理论上的预期效果, 其误差主要来自数值计算精度和孔径边缘衍射。