为解决空间反射镜镜体质量和面形精度在轻量化设计过程中会引起相互冲突的问题, 针对某型离轴三反光学系统的长条形主反射镜进行了结构优化设计研究, 提出了一种基于 SiC材料的中心支撑的轻量化结构, 同时引入了多目标集成优化方法, 以镜体质量(Mass)和面形(RMS)同时作为优化目标, 得到一个反射镜最佳结构模型, 其质量为 2.32 kg, 轻量化率达到了 73.8%; 然后, 对反射镜支撑结构进行了结构设计和说明, 并对该组件进行了仿真分析, 在 X、 Y、Z三轴方向 1 g重力工况下的 RMS值分别达到 2.5 nm、2.2 nm、7.3 nm, 4 ℃均匀温升载荷工况下的 RMS值为3.2 nm, 远小于设计要求的 RMS≤λ/50(λ=632.8 nm), 满足设计要求。

杂散光是影响光学系统成像质量的重要因素之一，因此对杂散光的分析与抑制成为现代红外光学系统设计过程中的一个重要环节。根据杂散光抑制要求，确定了天基红外成像光学系统的结构形式；分析了系统存在的杂散光源，计算了系统点源透过率(PST)须满足的条件；设计并分析了遮光罩、挡光环、遮光板、光阑和消杂散光材料等杂散光抑制方法；在杂散光分析软件TracePro 中建立系统模型，分别对系统内部及外部杂散光进行分析，计算并绘制了PST 曲线。结果表明，系统内部杂散光为1.53×10-3 W/m2，系统外部杂散光PST 曲线整体为下降趋势，PST 在离轴角度为±3°时达到10-3～10-5，系统对杂散光的抑制能力完全满足成像质量要求。

针对目前光学口径不断增大的空间光学遥感器实验室辐射定标的需求, 基于近距离扩展源照明方法设计了400~900 nm谱段内最大积分辐射亮度为200 W/(m2·sr)的4 m直径均匀扩展定标光源。该定标光源内径为4 000 mm, 出光面直径为1 600 mm。对该定标光源光机结构进行了详细设计, 利用光纤光谱仪监视输出的相对光谱分布, CPLD结合单片机实现输出光谱辐亮度值无人值守智能化远程自动控制。使用PR 735光谱辐射计测量该光源400~900 nm谱段内最大积分辐射亮度为22262 W/(m2·sr), 通过对定标光源的稳定性、面均匀性及角度均匀性测试, 分析了定标光源的测量不确定度为357%。实验结果表明: 该定标光源可以满足口径1 600 mm以下可见/近红外空间光学载荷的实验室辐射定标需要, 并可实现智能程控化控制, 提高了定标测试精度。

针对采用离轴三反(TMA)光学系统的空间相机中光学系统主镜和三镜的轴向位置接近的特点, 提出了主三镜共基准一体化结构来提高光机结构的精度和稳定性。利用一块高刚度、高度轻量化整体背板替代分离的主镜和三镜背板, 以实现主镜和三镜光学加工、检测和装调的基准统一。由于此整体背板同时也是主框架的组成部分, 故降低了结构整体重量, 提升了光机结构动/静态刚度。对采用主三镜共基准一体化结构的空间相机进行干涉检测, 结果表明主镜和三镜的各视场镜面面形最大分别为0.024λ和0.013λ, 均满足光学公差要求。对铝结构样机进行了多入多出(MIMO)自由模态测试, 测得一阶模态频率为48 Hz, 对应原理样机一阶约束模态频率114 Hz, 满足结构刚度要求。在离子束光学精加工过程中, 通过分时对主镜和三镜进行加工, 省去了主镜和三镜分离结构加工用的散热时间, 加工效率提高了约50%。主、三镜共基准一体化结构的应用提高了离轴TMA空间相机的性能和光学精加工效率, 为高分辨力宽视场空间相机的光机结构设计提供了参考。

研究了空间相机调焦机构的运动同步性误差对成像质量的影响。针对某型空间相机的大尺寸焦面调焦机构, 分析了运动同步性误差产生的原因。按照其光学系统参数计算得出当系统光学传递函数下降不超过5%时, 调焦机构运动同步性误差的最大允许值为002 mm。针对其采用的调焦机构, 推导出运动同步性误差计算公式, 并计算得到该调焦机构的最大运动同步性误差为0015 mm。最后, 对该调焦机构进行了实际测试。测试结果显示, 该调焦机构的运动同步性误差在振动实验前后分别为0012和0013 mm, 表明该机构的运行非常稳定。理论分析以及实验结果证明了该调焦机构完全满足应用要求。

针对空间光学遥感器圆形反射镜在安装过程中会由于采用间隙配合胶接方法在温度变化时产生非对称应力从而引起非对称像差(主要表现为像散)，以及使用的胶层为非线性材料使反射镜面形变化不可逆从而降低结构可靠性等问题，提出了基于过盈配合的无隙支撑方法。该方法依据最小势能原理，使用柔性块以过盈配合的方式固定反射镜。采取线性搜索方法分析得到了适当的过盈量(0.03 mm)，利用有限元方法模拟实际工况，得到镜面面形变化情况。对反射镜组件进行温度循环试验，并利用干涉仪对反射镜进行检测。试验显示，温度变化±4 ℃时，镜面面形RMS值最大为0.018λ，符合设计要求(RMS值≤0.02λ)，干涉图表明反射镜受力均匀、无像散；在温度循环试验中，反射镜面形变化可逆。这些结果表明，对于圆反射镜，采用无隙支撑方法能够很好地解决温度变化对镜面面形的不利影响。

为了提高对光学仪器中光机结构分析的精度,引入了非线性分析方法,用非线性有限元法研究了某平行光管主镜组件存在的非线性问题。介绍了产生结构非线性的主要来源,并在接触理论的基础上对主反射镜组件进行了合理的有限元建模。采用接触非线性分析方法对螺钉预紧时反射镜的响应及在自重和温度载荷作用下反射镜的变形进行了分析。将线性和非线性分析结果与实际结果进行了对比,结果表明,采用接触非线性分析方法对反射镜组件进行工程分析减小了分析误差。因此,在工程分析中,对某些接触部位采用非线性分析方法可以提高分析精度,得到的结果更加符合实际。

为满足较高面形要求，实现空间反射镜的高度轻量化设计，在直径500 mm 圆反射镜的设计过程中引入拓扑优化方法。依据变密度法建立SIMP 模型，在反射镜光轴方向重力的工况下，以结构整体柔度为设计约束，最小体积为设计目标，经过迭代，得到了RMS 值小于5 nm，轻量化率达到75.83%的结构。在同等质量下，传统的三角形孔轻量化结构的RMS 值为8.17 nm，轻量化率为67.39%。并对优化后的结构与三角形轻量化结构在径向重力工况下进行了面形对比，计算结果满足设计要求。拓扑优化的轻量化方式在面形和轻量化率上都优于传统形式。

在分析聚酰亚胺薄膜反射镜面形成型理论的基础上,结合光学系统对反射镜面形的要求,用有限元法求解了薄膜反射镜在一定预应力存在的条件下,受均布载荷作用产生变形的数值解,通过数据拟和给出了反射镜面形,并计算了理论面形与计算面形的误差;以反射镜镜面不同区域施加的载荷为设计变量,薄膜的屈服强度为状态变量,理想面形与计算面形的误差为目标函数,用ANSYS软件对薄膜反射镜面形进行了优化;最后以Zernike多项式为接口对反射镜面形进行了波前拟合,给出了优化前后反射镜的像差,证明了通过对薄膜反射镜施加适当的力场可以得到面形精度很好的抛物线面形.结果表明:改变力场可以控制薄膜反射镜面形,并得到需要的面形,为实际设计、构建聚酰亚胺薄膜反射镜提供了理论基础、设计依据和方法.