利用光纤熔融拉锥技术，对一种中心对称、具有较大芯间距的多芯光纤进行了优化。融锥后的光纤具有倏逝场强、传感灵敏度高的特点，但由于其柔韧性差难于用作弯曲传感测量。本文设计了一种柔性传感器，使优化后的融锥光纤可用于弯曲传感测量。利用超模耦合理论对优化后多芯光纤传感器的透射谱进行了分析，并对其弯曲传感特性进行了实验研究。实验结果表明，该柔性融锥光纤传感器的干涉条纹与弯曲曲率有很好的线性关系。优化后的融锥光纤弯曲传感器的灵敏度为2.90 nm/m^-1。

为了补偿光学成像系统在成像过程中受自身重量、振动以及温度变化等因素引起的相位误差, 设计了一种 Z型薄片式柔性支撑结构用于反射镜相位补偿。建立了 Z型薄片的力学模型, 推导了多组柔性薄片模型下的反射镜系统平移刚度和偏转刚度表达式, 根据刚度方程分析了薄片厚度及倾角对柔性支撑结构的力学影响。最后, 通过有限元分析对理论模型进行了仿真验证。针对 100 mm口径铝材反射镜仿真结果表明, 理论推导值与仿真结果相对误差小于 8%, 说明了所建力学模型与刚度方程的高准确性, 为柔性支撑结构的设计、力学分析以及参数优化提供了理论指导。

为了保证微型空间相机的超轻反射镜的面形精度和稳定性, 提出一种串联双轴片式柔性支撑结构.以多工况下超轻反射镜面形为目标, 应用集成优化方法对该支撑结构进行优化设计, 并对优化后的结构进行重力和温度工况下的静力学分析, 各工况下反射镜面形均方根值均在3.5 nm以内, 远优于设计指标.对研制的反射镜组件粘接强度进行校核, 并对其动力学性能进行有限元分析和试验验证.结果表明, 柔性支撑结构与反射镜粘接面积为1 138 mm2,反射镜组件的X、Y、Z三向的一阶频率都在500 Hz以上.有限元分析结果与试验结果的相对误差均在6.5%以内, 验证了有限元分析模型的正确性, 表明该串联双轴片式柔性支撑结构设计合理, 集成优化方法可靠.

宽厚比较大的小型轻质薄型反射镜在宽温度范围及恶劣的环境(尤其是低温-40°C)下易发生变形，严重影响系统成像质量。针对这种情况，以挠性支撑原理为基础，借助于热力学理论设计了一种适用于小型轻质薄型分光反射镜的新型挠性支撑结构，采用有限元技术，对该挠性支撑结构的温度适应性进行了分析，并对装配后的反射镜组件进行了低温试验。试验结果表明: 在-40°C温度下，反射镜面形精度峰谷值(PV值)保持在0.25λ(λ＝632.8 nm)，这种新型挠性支撑结构能够满足应用环境的使用要求。

针对三组式伸缩型结构高倍率变焦距镜头设计进行了研究。对含中间固定组的三组式结构高斯光学进行了讨论, 给出了高倍率设计的高斯解范围和选取原则, 并编制了可视化辅助设计软件, 为高斯参数的最优化选取提供条件。采用这种结构设计了一套焦距12~600 mm、变倍比50倍、视场角0.85°~41.2°的伸缩型变焦距镜头, 短焦时前片至像面175 mm、长焦时为309 mm, 长焦端远摄比达0.51; 各焦距位置在100 lp/mm处轴上视场调制传递函数(MTF)大于0.3, 边缘视场MTF大于0.2, 同时系统具有小型、便携的特点。

为满足视频空间相机中反射镜组件的轻量化、高刚度、高稳定性和短加工周期的要求, 采用基于ZERODUR微晶玻璃的背部单拱形镜体轻量化方案, 设计了一种外圆芯轴粘接的柔性支撑结构.通过有限元工程分析与基于响应面优化设计, 确定了支撑结构的最优尺寸.对反射镜组件进行了模态试验, 并完成了镜面的非球面光学加工与检测.试验结果表明：主镜组件的一阶自然频率为332.5 Hz, 与分析结果之间的相对误差为2.5%; 主镜组件在绕光轴分别旋转0°、120°与240°方向进行光学检测时, 面形精度均方根值均优于λ/40,实现了地面重力对反射镜面形检测零影响, 组件满足设计要求.

设计了一种适用于空间环境的变形镜装置, 以校正高分辨率空间相机中大口径主反射镜的波像差.讨论了空间相机用变形镜的设计准则, 确定了该变形镜的结构形式;给出了具体的结构组成和材料组合, 并设计了柔性结构.仿真结果表明, 该结构在z向重力工况下RMS值仅17.2 nm, 4℃温升时的RMS值仅为3.7 nm, 且一阶频率为1 015 Hz, 各模拟空间工况下的反射面经主动展平后, 均可获得近似的标准平面;该结构能够较准确地拟合前36项泽尼克多项式所对应的基元波面, 残留误差较小, 不仅具有良好的力学性能和热稳定性, 还能保证变形镜的像差校正能力得到充分发挥, 从而满足空间相机的使用需求.

对于采用背部支撑的空间相机反射镜, 温度变化会造成其支撑孔附近的局部面形精度降低, 形成局部环形缺陷, 从而影响光学系统中对应视场的成像质量。为了提高反射镜的温度适应性, 通过增加支撑结构的柔性, 降低局部连接刚度的方法, 优化设计出一种柔性结构。对反射镜组件进行仿真分析, 结果表明, 在反射镜组件温度降低 4℃的情况下, 优化结构后的反射镜的中间支撑孔附近的局部视场面形的 PV=4.9 nm, RMS=1.0 nm, 与优化前(PV=16.6 nm, RMS=3.5 nm)相比, 精度提高了 3倍; 全局视场面形的 PV=16.3 nm, RMS=3.2 nm, 相比优化前 (PV=30.2 nm, RMS=5.2 nm), 精度也得到提高; 反射镜组件在优化前的 1阶基频为 191 Hz, 优化后的 1阶基频为 183HZ, 数据基本保持不变; 反射镜在重力作用各工况下, 优化结构前后的全局视场面形的 PV值和 RMS值基本保持不变。说明新的柔性支撑结构在保证了反射镜动、静态刚度的前提下, 提高了反射镜的温度适应性, 降低了温度变化对反射镜支撑孔附近局部面形精度的影响, 提高了光学系统局部视场下的成像质量, 达到了提高全视场下成像质量的目的。

针对用电活性聚合物(EAP)薄膜制造柔性智能器件提出的理论模型和性能要求, 采用一种铁电高分子聚合物薄膜制作了柔性结构器件, 建立了它的动力学方程、振动行为模型及其机电性能描述。研究了预张力-抗弯刚度、驱动电压、器件几何参数对柔性薄膜器件性能的影响。提出了柔性薄膜器件在预张力和抗弯刚度共同作用下的振动行为模型及其特征化描述, 用数值模拟和有限元仿真研究了杨氏模量及预张力-刚度比对柔性薄膜结构振动行为的影响, 基于有限元模型与激光多普勒技术模拟和实测了EAP薄膜柔性结构的模态振型。此外, 基于压电激励-激光拾振方法研究了驱动电压及器件几何尺寸对EAP薄膜柔性结构动态响应特性的影响。实验结果验证了激光多普勒技术用于EAP薄膜智能器件测试的有效性, 揭示了EAP薄膜柔性结构器件的工作机理及动态性能, 1 V驱动电压可产生精密位移21.6 nm。本文为研究EAP薄膜器件提供了理论基础和实验依据。