在非球面的检测中，工艺球面补偿检测是最普遍的方法。针对该方法适用范围的局限性，本文提出了应用工艺球面补偿检测时非球面所必须满足的条件。根据波像差理论和瑞利判据，推导出凸二次曲面能够应用工艺球面补偿检测所必须满足的条件，并采用有限距离正面补偿检测的方法，对工艺球面补偿检测的局限性提出了改进。最终结果表明本文所提出的理论能够判定，所需要研制的凸双曲面镜不能直接应用工艺球面补偿检测，而组合补偿检测方法能够保证凸双曲面的面形精度δPV=0.159 8λ 优于λ/6(λ=632.8 nm)，满足技术指标。

透镜面形精度是影响透射式光学系统性能的主要因素之一, 支撑结构、自重和热载荷是引起透镜面形发生变化的三个主要原因。为了实现大口径透镜 (Φ>200 mm)的高面形精度, 本文设计了一种新的基于多点柔性支撑的透镜支撑结构, 通过有限元分析, 给出该柔性支撑结构下自重和热载荷对透镜面形的影响。分析结果表明: 重力作用下透镜上、下表面面形 RMS值分别为 6.78 nm和 3.46 nm; 热载荷作用下透镜上、下表面面形 RMS值分别为 8.30 nm和 5.57 nm。由此得出, 本文设计的多点柔性支撑结构可以有效减少自重和热载荷对大口径镜面面形的影响, 满足透射式光学系统对透镜面形的精度要求 (RMS<λ/50, λ=632.8 nm)。

为了更好地评价 30 m望远镜三镜 (TMT M3)的反射镜, 本文结合系统频域特征以及斜率均方根, 对于其检测、评价的基本原理进行研究。首先根据斜率均方根 (slope RMS)的定义, 基于正弦多项式, 对于其基本性质进行推导与分析; 然后, 针对斜率测量, 提出 slope RMS的分离与合成方法, 为提出符合 TMT招标方要求的检测评价方法提供理论基础; 最后, 将本文方法应用于 TMT三镜仿真数据, 检验了本文假设的正确性与方法的可行性。

胶粘剂广泛应用于光机结构中, 其对光机结构的动力学特性有不可忽视的影响。本文采用有限元建模的方法对含胶粘剂的透镜镜组进行动力学特性分析。建立忽略胶层、节点耦合以及“粘合单元 ”连接胶合面三种有限元模型, 并分别对两种胶粘剂粘接的透镜镜组进行模态分析。为了验证三种建模方法的有效性, 对不同透镜镜组进行模态测试, 获取一阶模态频率与振型。仿真计算与测试结果对比表明：忽略胶层影响的模型计算结果存在较大误差, 节点耦合以及 “粘合单元 ”连接胶合面所建立的模型的一阶模态频率与实验测试误差小于 5%, 振型也与测试结果一致。这表明节点耦合以及“粘合单元”连接胶合面两种有限元模型是有效的。进一步分析胶粘剂材料属性对透镜模态频率的影响, 胶粘剂的杨氏模量对模态频率影响明显, 泊松比与密度影响较小, 对光机结构中胶粘剂的选用具有参考意义。

针对回转对称非球面的抛光工序, 本文提出了一种点接触式的磨抛工艺以及实现等去除量磨抛加工的数控设备运动模型。磨抛工艺基于数控光学表面成形技术及 Preston假设, 采用筒形磨抛轮对回转对称非球面进行点接触式磨抛加工.在加工过程中, 数控设备各轴的运动为变速运动, 即工件的转速及磨抛轮的进给速度随着加工位置的改变而改变。通过对该变速运动模型进行求解, 并由数控加工设备进行精确控制, 从而实现等去除量的磨抛加工。实验结果表明, 该变速运动模型能够很好地实现回转对称非球面的等去除量磨抛加工。

为了分析温度对大口径轻质主镜反射面面形的影响, 对大口径轻质主镜建立了三维模型, 利用有限元软件 patran/nastran对其进行了稳态和瞬态的热特性分析。主要分析了均匀温度分布, 径向温差, 轴向温差和外界环境温度变化对主镜面形的影响。结果表明：在径向温差, 轴向温差和外界温度变化情况下, 主镜面形均受到很大的影响, 且面形 PV值和均方根值 RMS随着温度梯度的增大, 呈线性增加的趋势; 环境温度在 15 ℃到 25 ℃以正弦规律变化时, 在 2.8 m主镜内部产生的温度梯度导致的镜面变形的 PV值和 RMS值波动范围为 100 ~500 nm和 25 ~150 nm; 均匀温度分布对主镜面形的影响相对较小。

为实现 193 nm投影物镜光学元件的超光滑加工，介绍了一种非接触式微射流超光滑表面加工方法，对该方法的材料去除特性和超光滑加工效果进行研究。首先，采用计算流体动力学理论对其材料去除机理进行了仿真研究，通过对微射流流场的压力、速度和表面剪切力的分析得到其去除函数形状与表面剪切力的分布相反，呈现 W型。随后，采用正交法对各工艺参数对抛光效果的影响进行了综合分析，结果表明材料去除效率随入射速度和磨料浓度的增大而增大，随工作距离增大而减小，并且工作距离具有显著影响，为实验研究中工艺参数的选取提供了指导意义。最后，在自研的微射流抛光机床上对一平面熔石英进行了抛光实验，加工样件表面粗糙度均方根值由初始的 1.02 nm降为 0.56 nm。实验结果表明，微射流抛光技术可以用于光学元件的超光滑加工。

为定量分析大尺寸望远镜自身重力对主镜镜面变形造成的影响，采用有限元的手段以非线性分析方法的 ABAQUS软件为研究工具对某大尺寸望远镜主镜组件进行了精确有限元分析。在分析过程中将罚函数的摩擦形式引入至主镜组件的摩擦接触中，分别对组件的球头接触、芯轴接触进行了建模，完成了对于组件 Y向与 Z向的各部分应变分析。分析表明该主镜组件因自身重力作用造成的面形变化非常小， RMS方面的 Y向与 Z向面形变形分别为 16 nm和 13 nm，而主镜绕 X轴倾斜量在 Y向和 Z向分别为 0.5″和 0.02″，完全满足使用条件。该分析为该望远镜的后续研制提供了参考。

磨具弯曲成形法是加工光学非球面零件的新方法，是线接触研磨过程。给出了弯曲成形法研磨的原理，基于 Preston方程，限定磨具弯曲成形法特定研磨条件，分析了加工面上的任意一点的压力函数和相对速度函数，推导了磨具弯曲成形法研磨材料去除量函数表达式，推导了研磨作用时间函数。该研磨模型为磨具弯曲成形法研磨实践提供了理论依据。

针对激光陀螺光学腔体这种复杂结构的光学零件, 采用传统的光学抛光的方法无法对其凹槽、孔道进行抛光的问题, 提出了一种采用化学溶液对玻璃进行侵蚀的化学抛光技术。本文分析了微晶玻璃的组成及化学抛光的机理, 制备了适合的化学抛光溶液, 设计了抛光技术方案、工艺流程及方法。对化学抛光后的光学表面进行了测试、分析, 结果表明: 采用 NH4HF2、H2O、添加剂组成的化抛溶液, 抛光后能够得到光滑、透明玻璃表面, 抛光表面的粗糙度可达 0.2 ~0.3 μm, 可见光透过率 88%~90%, 化学抛光去除量为 0~100 μm, 本研究实现了复杂结构的光学零件的 “确定性”化学抛光。