为实现自由曲面的定位与位姿高精度测量，提出了“光学-机械”基准定位法，建立了位姿测量模型，并对该方法的定位误差和基准选择展开研究。根据三坐标测量机与计算全息提出了“光学-机械”基准定位法。然后，采用球形安装的回射器（Sphere Mounted Retroreflector ，SMR）、猫眼、基准球作为基准，基于波像差理论与视差效应分别建立了3种基准的位姿测量模型，得到了位置误差与基准区域波前像差的函数关系，并对3种位姿测量模型进行对比。最后，对3种基准位姿测量方法进行仿真及实验验证，实测结果与模型的残差结果均小于0.05λ，相对误差均小于2.43%，验证了模型的准确性。实验结果表明，当检测距离为1 000 mm时，猫眼法的轴向定位误差为24 μm；基准球法的轴向定位误差为50 μm；SMR靶球法的轴向定位误差为16 μm，X，Y方向的定位误差为1 μm，滚转角定位误差为3.26″。SMR靶球法的定位误差最小、检测动态范围最大且检测光学元件的自由度最多，更适用于自由曲面的高精度位姿检测。

为提高离轴三反消像散（TMA）光学系统中次镜的制造效率和精度，开展了离轴凸非球面反射镜组合加工和零位检测的研究工作。首先，介绍了方形(298 mm×264 mm)高次离轴凸非球面反射镜的光学参数、技术指标和总体加工路线；其次，提出了铣磨加工工艺策略以及基于气囊和沥青的小磨头组合加工工艺；最后，阐述了光学零件抛光阶段采用的背部透射零位补偿检测法和Offner型零位补偿器，并采用光线追迹法对镜片的零位补偿检验面形畸变进行了矫正，最终面形RMS值为0.025λ（λ=632.8 nm），满足技术指标要求。上述组合加工工艺和背部透射零位补偿检测方案可以显著提升高次离轴凸非球面反射镜的加工精度和效率。

随着单点金刚石车削技术和抛光技术的发展，实现了金属反射镜的快速高效低成本制造。然而，金属反射镜的检测手段存在明显不足，尤其是没有一种快速、高效的检测手段用于检测凸非球面金属反射镜。为提高凸非球面金属反射镜的检测效率，提出一种非零位拼接检测凸非球面金属反射镜的检测方法。结合工程实例，对口径为120 mm，顶点曲率半径R为1121.586 mm，二次曲线常数K为−2.38的凸非球面金属反射镜进行了拼接检测实验，拼接所得面形误差均方根值（RMS）为0.016λ(λ=632.8 nm)。与Luphoscan检测结果对比，验证了非零位拼接检测方法的检测精度RMS为0.007λ，结果表明该方法能够实现凸非球面金属反射镜的快速、高效检测。

行星研磨技术由于提升磨削接触点相对速度，能够有效提高材料去除效率。但由于传统研磨盘不均匀磨损，导致研磨盘形状持续改变，从而影响了研磨过程中去除函数的稳定性和准确性，限制了该技术的应用。本文针对基于小磨头行星运动方式，通过建立构建磨损函数，预置研磨盘曲率半径，使研磨盘满足在加工单周期后各点去除量相等，从而提升去除函数稳定性。通过实验验证，研磨去除函数与模型仿真计算结果一致，验证了模型的准确性，利用优化后的研磨盘可获得高效稳定的去除函数。采用直径40 mm SiC研磨盘研磨SiC工件，实验结果表明：对比加工前后研磨盘磨损情况，面形变化小于1%，符合均匀去除要求；对比多组不同研磨阶段去除函数，体积去除率误差小于2.3%，满足光学研磨去除函数稳定性要求；在公转100 r·min^-1，自转-100 r·min^-1条件下，体积去除率达到6.879 mm³·min^-1，比同样参数下的平转动研磨提高了40.9%的去除量。证明了行星研磨技术能够通过参数设计获得高稳定性的高效去除函数，为行星运动研磨技术应用于SiC镜片高效加工提了供可靠的理论指导。