面向激光探测需求，创建了涵盖“光学设计-结构设计-元件制造-装调集成-性能评价和应用”的精密光机系统全环节研发平台。发展了“光学设计-结构设计-力热学设计”高效耦合的综合设计方法，建立了基于光机误差分解的精密装配集成方法，形成了透射光学系统定心装调、反射光学系统的高精度集成装配流程和技术，配备了光学系统波前和成像性能检测仪器，支撑了多种复杂功能的精密光机系统的研制。本文全面梳理了同济大学面向激光探测需求的精密光机系统和仪器研制方面的科研工作，针对我国“星光III”强激光装置的探测需求，研制了首套联合视频合成孔径雷达和扫描光学高温计的主被动复合诊断装置和辐射高温光学测量系统，共同为“星光III”开展超高压物态方程实验提供了技术支撑与诊断测试手段。面向海环境下目标与环境激光散射特性的测量需求，研制了发散光激光雷达散射截面测量装置和双功能平行光LRCS激光测量装置，实现了模拟海环境下标准散射体与海环境的激光散射特性的精确测量，为超低空激光雷达研制提供了数学模型和实验数据。

为了满足OLED屏疵病检测的成像需求, 设计了一种高解析度线阵扫描镜头。光学系统基于双高斯对称结构, 镜头焦距f′=116mm、放大倍率β=-0.5×、物方数值孔径NA=0.038、物方线视场2y=120mm。利用光学设计软件Zemax仿真可得镜头的调制传递函数MTF在奈奎斯特频率120lp/mm时能达到0.2以上, 接近衍射极限; 各视场点列图基本都在艾里斑之内, 均方根半径较小; 利用双高斯的对称特性降低畸变, 相对畸变q＜0.5%。针对景深和曝光量可调的成像需求, 即F#的切换需求, 以及光学元件的尺寸排布, 给出了光阑孔径可变的镜头光机结构设计。最终利用MTF测试仪对镜头的成像质量进行检测, 实验结果表明此镜头能够满足OLED屏疵病检测功能的工业成像需求。

研制了自动多波段太阳辐射计, 仪器包含8个光谱通道, 覆盖可见-近红外波段.通过二维转台和四象限跟踪组件, 可实现对太阳直射辐照度、天空辐亮度、气溶胶光学厚度、大气柱水汽含量和臭氧含量的实时自动测量, 并远程控制和传输数据.为减小温度变化对探测器响应的影响, 对光机头部的八通道主体部分进行了温控设计.结合野外环境的实际情况, 对关键部件八通道主体和散热外壳进行了热力学有限元分析.分析结果表明, 主要光学元器件的安装结构满足实际温度变化产生的零件形变需求; 增大外壳的散热面积可以有效提高八通道主体的温控效率, 增强野外环境适应性.仪器在敦煌辐射校正场长期工作, 经受住了风沙、雨水和温差等的测试, 其温控系统的温度维持在25±0.2℃, 表现出良好的稳定性, 验证了温控设计的可靠性.

针对我国光学遥感卫星高频次和高精度定标的技术需求, 以及目前人工定标的不足, 研制了超光谱比值辐射仪系统.该仪器具备长期自动观测功能, 光谱范围为400~2 500 nm.光机系统主要由前置光学系统和光谱模块组成.根据场地定标中的参数需求与自动化定标的目标, 设计积分球测量总辐照度, 并通过遮挡的方式实现漫射辐照度的测量, 获得卫星定标中的漫总比数据; 设计光学镜头测量地面辐亮度, 从而实现大气-地表辐射特性的自动观测.同时仪器集成了定标数据实时预处理和远程传送等功能.为验证仪器的野外环境适应性和自动化测量数据的可靠性, 与传统人工测量地表反射率与漫总比的方式进行了外场对比实验.实验结果表明, 两种方式所测的总辐照度、漫射辐照度和直射辐照度的相对偏差均小于5%, 漫总比的绝对偏差均小于0.025%; 所测反射率整体趋势相同, 且二者的偏差普遍在±1%以内, 最大偏差小于±2.5%.超光谱比值辐射仪具有较高的自动化测量精度, 能够替代人工测量大气辐射特性参数和地表反射率, 实现较高的测量频次, 在遥感卫星自动化定标领域具有广阔的应用前景.

介绍了自行研制的辐射仪器的光谱模块, 其光谱范围覆盖可见-短波红外波段(400 nm～2 500 nm), 讨论了光谱模块的装调方法并对装调结果进行了分析研究。辐射仪器由3个光谱模块组成, 分别是可见波段光谱模块(400 nm～1 000 nm), 近红外波段光谱模块(900 nm～1 700 nm)和短波红外波段光谱模块(1 600 nm～2 500 nm), 光谱模块的探测单元均以平场凹面光栅分光, 线阵探测器探测信号, 光谱模块的光机组件主要包括光纤头、狭缝、反射镜组件、光栅组件和探测器组件等。鉴于光谱模块的光机装调效果与其光机设计息息相关, 装调结果的好坏能反映光机设计的优劣, 针对光谱模块的光机设计特点进行了光机装调。光机装调分析结果表明: 3个光谱模块的波长分辨率分别优于4 nm, 15 nm和20 nm, 达到了仪器的设计指标, 验证了光机设计、装调的合理性。

介绍了连续光谱地表反射特性自动观测辐射计(SCR)的光机系统设计.SCR辐射计的光谱范围为400~2 400 nm, 能够实现地表反射率的长期自动观测.所设计的SCR辐射计使用经过定标的漫反射参考板作为反射率标准, 漫反射参考板通过转臂自动切入、切出测量光路.为保证参考板在野外的长期适用性, 设计了参考板清洁机构.对易发生失效的转臂进行静力学分析.结果表明：转轴位置会发生应力集中, 且距离转轴位置越远, 变形量越大, 变形引起的参考板水平误差在0.3°以内, 满足应用需求.为验证SCR辐射计测量数据的准确性和仪器的可靠性, 设计了SCR辐射计和SVC光谱仪的比对试验.试验结果表明：两台仪器所测量的反射率具有相同的变化趋势, 二者偏差普遍在±1%以内, 最大偏差在±3.5%以内.SCR辐射计能够实现较高精度的反射率数据自动测量, 在卫星遥感器外场自动化定标和高频次定标方面具有重要应用前景.

MS1和MS2试验星是我国首批设计寿命10年的中高轨导航卫星, 为提高在轨精度和实现卫星精密定位, 作为舱外有效载荷, 两颗卫星均标配搭载了激光反射器。卫星激光反射器光学设计应考虑远场衍射等物理光学影响, 不能仅考虑几何光学理论设计。以试验星反射器为例, 基于角反射器光学远场衍射能量分布理论为基础, 采用最大雷达截面法进行反射器尺寸优化, 利用角度补偿法进行速差补偿角设计, 对反射器表面加工精度、反射表面特性、切割方式等光学参数进行优化分析计算, 并通过合理的机械结构和材料设计, 解决了高量级力学环境、330 ℃高低温度交变、10年空间辐照寿命等环境适应性问题。试验星光学测试结果表明: 参数设计合理, 可实现远场环带能量在预定观测区域的最大化, 在轨观测数据表明反射器工作正常, 测距精度、测距范围等指标满足预期设计, 理论设计和实践相符, 这对今后同类激光反射器的设计具有借鉴和指导意义。