针对地基大口径望远镜次镜系统加工精度和装调精度的要求, 提出了基于拓扑优化的次镜系统结构设计方法。该方法利用变密度的拓扑优化思想, 将次镜系统的Spider结构和Serrurier桁架的设计域限定为基结构, 以期望方向的变形最小, 通过材料的去留决定结构的最终形状和尺寸。首先, 以相对密度为设计变量, Spider结构以1阶振型和重力方向变形为设计约束, 桁架以X向和Y向变形为设计约束, 建立各结构的拓扑优化模型; 然后, 以拓扑优化所得构型为基础, 利用Workbench进行优化迭代; 最后, 设置优化参数, 采用有限元法进行动静刚度分析和优化。结果显示4 m望远镜次镜系统的1阶谐振为22.7 Hz, 光轴指向天顶和水平时重力方向偏移分别为-0.173 mm和-0.195 mm, 并且Spider结构和Serrurier桁架的轻量化率超过30%。该结果验证了文中方法的有效性。

针对大口径望远镜由于自身尺度的增加以及钢桁架结构所带来的阻尼不足的情况, 开展了大口径望远镜阻尼调制技术的研究, 提出了一种基于动力学模型的调制质量阻尼器的设计方法。首先分析了现有的大口径望远镜的阻尼调制策略, 选择了使用专门的阻尼调制器的解决方案; 之后, 研究了建立系统动力学缩减模型以及基于该模型的动力学检测方法, 为阻尼调制器的设计打下基础。最后, 设计了适应某大口径望远镜主镜模态的调制质量阻尼器。为验证文中的正确性, 针对一阶固有频率为172 Hz实验系统进行了阻尼调制实验, 使用调制质量阻尼器后, 该频率所对应的响应有明显的下降。同时, 对于用于验证的大口径望远镜, 计算得到其141 Hz的主镜模态对应的调制质量阻尼器质量为7.015 kg。刚度为5.506 N/mm。提出了一种基于动力学模型的调制质量阻尼器的设计方法。分析了现有大口径望远镜的阻尼调制策略, 选择了使用专门阻尼调制器的解决方案, 不仅可指导下一代望远镜的建设工作, 还可以对现有设备进行有效的升级。

库德光路光学元件多且空气间隔长, 导致随着望远镜口径的增大装调难度急剧增加, 因此将计算机辅助装调技术引入到Coude光路装调对准中。首先利用了机器人运动学方程的D-H表示法对库德全反射光路进行建模, 然后根据光路误差来源讨论了蒙特卡洛模拟在Coude光路装调对准中的应用, 通过分析各个镜面的影响权重, 确定了系统装调顺序; 最后, 将蒙特卡洛法作为优化算法, 得出了Coude光路装调后的理想结果。通过模拟仿真, 证明了该方法可以将Coude光路靶面目标圆半径由5 mm下降到装调后的0.3 mm。结果表明: 该方法简单、快速, 而且精度高, 对于全反射光路的装调是可行有效的。

建立了挠性支撑结构的力学模型及优化设计模型, 以使光学元件挠性支撑结构同时满足元件定位的刚度要求和温度适应性的柔度要求, 同时给出了相应的建模方法。考虑挠性支撑结构是由圆周对称分布的挠性单元组成的, 故将挠性单元简化为超静定梁结构, 应用虚功原理推导了挠性单元的径向及切向刚度。然后, 假设光学元件为刚性体, 根据力平衡条件及变形协调条件, 推导了挠性支撑结构的整体刚度, 并引入修正因子补偿了刚体假设带来的误差。最后, 以挠性支撑结构总变形能为目标函数, 推导了同时考虑挠性支撑结构几何构形及参数的协同优化设计模型, 通过引入了整型变量将结构整体刚度简化为整型变量和离散刚度的线性组合, 从而使优化模型中不含有谐波函数项。基于数值仿真和实验对结构刚度模型进行了验证, 结果显示: 实验、仿真和理论计算结果一致。此外, 以透镜支撑为例, 验证了挠性支撑结构的优化设计方法, 有限元分析结果表明, 透镜面形精度较初始设计提高了23%。

针对某大口径光电探测设备技术指标设计了一种口径为 1m级，焦距变化范围为 2000～6000 mm的大口径、长焦距可见光连续变焦系统。比较了以往的连续变焦结构优缺点，选取了合适的凸轮机构并进行了详细地结构设计。利用有限元软件对连续变焦距系统中的关键结构件凸轮进行了静力学和动力学分析。计算了该种凸轮结构下的连续变焦距系统的精度为 3.3 .m，满足系统的测量要求。

为满足4 m望远镜底座结构高刚度和轻量化的需求，研究了考虑结构变形和模态约束下的拓扑优化问题。首先，基于连续体结构拓扑优化的思想，以单元虚拟密度为设计变量，以位移变形和一阶频率及质量为优化约束，应变能最小为优化目标，建立了底座设计的拓扑优化数学模型，并详细推导目标函数及约束条件的灵敏度；然后，对底座结构应用拓扑优化设计，并以所得的理想概念构型为基础，进行底座结构的详细设计；最后，采用有限元法对优化模型进行静刚度和动刚度的分析与校核。设计结果表明，底座质量从27.66 t减至22.15 t；最大变形量由0.0377 mm减小为0.014 mm；一阶频率从217.1 Hz提高至247.45 Hz；在减小质量的同时，有效提高了底座结构的静刚度和动刚度，验证了拓扑优化方法的有效性。该方法将对4 m望远镜跟踪架的其他部件设计提供帮助。

表面等离子体共振(SPR)技术中的长程SPR技术的实际应用受其特殊的膜层匹配条件(待测物和第一层缓冲层折射率需相近)限制而很难扩展。为了解决这一问题， 本文提出了一种对称型长程SPR (LRSPR)技术来提高传统LRSPR技术的适用性。设计了一种"缓冲介质层+金属膜+缓冲介质层"的对称型膜层结构，用于打破传统LRSPR折射率匹配条件的制约，并进一步提高电磁场穿透深度和共振峰深度。理论模拟分析了对称型膜层结构，并且自行搭建了基于LED光源的角度谱SPR检测系统。利用该系统进行了不同糖浓度溶液下的折射率分辨率实验，并对数据处理的算法进行了优化。实验测得系统的折射率分辨率达到6.1×10-7 RIU，灵敏度可达1.22×105 pixel/RIU，并且在一定折射率测量范围内具有较好的线性度。

设计了用于多孔板细胞分析的自动显微系统以实现药物筛选的自动检测。研究了系统的机械结构、人机交互软件、对焦评价函数的选择和多视野图像拼接功能。该系统采用支架式结构，克服了形变带来的精度影响; 对比传统机械传动的优缺点后，采用伺服电机和音圈电机两级调节的方式来提高系统精度和对焦速度。比较了几种对焦评价函数的性能并提出性能更优的评价方法。考虑到高倍显微镜下视野小对实验统计意义的影响，设计了多视野图像拼接等图像处理功能。最后，实验验证了系统的设计技术指标。实验结果表明：单次对焦时间为2 s; 对焦精度在微米级; 单次4×4图像阵列拼接时间为15s,满足系统进行药物筛选对速度、自动化程度和稳定可靠性的要求。