全口径环形抛光是加工大口径平面光学元件的关键技术之一，其瓶颈问题是元件面形的高效高精度控制。通过研究元件面形的影响因素及其控制方法从而提升其确定性控制水平。围绕影响面形误差的运动速度、抛光盘表面形状误差和钝化状态等关键工艺因素，建立基于运动轨迹有效弧长的环形抛光运动学模型，揭示了抛光盘表面开槽槽型对面形误差的影响规律；提出了采用位移传感器以螺旋路径扫描抛光盘表面并通过插值算法生成其形状误差的方法，建立基于小工具的子口径修正方法，实现了抛光盘形状误差的在位定量修正；提出抛光盘表面钝化状态的监测方法，研究了抛光盘表面钝化状态对面形误差的影响规律。结果表明：抛光盘表面开槽采用环形槽时元件表面容易产生环带特征，采用径向槽、方形槽和螺旋槽时元件表面较为匀滑；通过在位定量检测和修正抛光盘形状误差，可显著提升元件的面形精度；随着抛光盘表面的逐渐钝化，元件面形逐渐恶化。在研制的5 m直径大口径环形抛光机床上加工800 mm×400 mm×100 mm平面元件的面形PV值优于λ/6（λ=632.8 nm），提升了元件的面形控制效率和精度。

双脚架结构具有静定支撑的特点，可以隔离机械附加载荷，因此成为大口径空间相机反射镜组件的常用支撑形式之一。在地面装调时，采用双脚架支撑的反射镜的面形因重力作用而下降。空间相机入轨后，随着重力变形的释放，反射镜面形会再次发生改变。有限元分析方法评估反射镜组件的重力误差，其精度难以达到高质量高分辨率成像的要求。同时，反射镜加工过程中使用的重力卸载方案也难以沿用至组件阶段。针对重力误差测试过程中装配误差与三叶像差混叠以及检测光路对球差测试精度不足的问题，提出了翻转与卸载相结合的测试方案。基于不同像差的正交性，可以进行分别测试来逐项获取各像差。通过反射镜组建的翻转测试，分离装配误差与重力误差中的三叶像差。设计一定精度的卸载装置，通过卸载前后的对比测试，得到重力造成的球差等旋转对称像差。采取上述方案可以实现对全部重力误差的实测。利用1.3 m口径高轻量化反射镜组件进行了测试验证，其重力误差面形rms和在轨面形rms分别为0.192λ （λ=0.6328 μm）和0.023λ。

大口径快速反射镜（快反镜）常被应用于空间光通信和激光**等领域。为实现工作状态下大口径快反镜面形误差的实时检测，设计了大口径快反镜面形测试系统。该系统的口径参数为400 mm，工作波长为633 mm，由离轴式前置扩束系统和焦面附件系统组成。对测试系统的设计参数及元件参数选择进行了阐述，设计和仿真了光学系统结构，并基于光机热集成分析获得温度变化对光学系统的影响。测试大口径快反镜面形测试系统后结果表明该系统可实现实时记录和高精度测量，且在温度变化的工作环境下也可实现稳定测量，其测量稳定性为0.048λ（RMS，λ=633 nm）。

为降低子镜促动器负载，保证拼接式主镜的面形精度和稳定性，针对子镜组件进行了一体优化设计。根据子镜组件设计要求初步确定了子镜的结构形式，基于反射镜背部三点支撑方案提出了一种开槽横梁多轴柔性支撑结构。为解决组件一体优化设计中引入变量过多，不易收敛的问题，设计了一种基于多岛遗传与梯度优化的组合优化算法。建立了以结构重量、面形精度为目标的优化模型，对子镜组件进行了一体设计、工程分析及试验验证。工程分析结果表明：子镜组件结构重量为1.74 kg，X、Y、Z三个方向上的基频均在400 Hz以上，面形精度均控制在5 nm以内。最后对子镜面形进行了检测，结果显示：子镜面形精度的RMS值为0.019λ（λ=632.8 nm），满足优于λ/50的设计要求，验证了设计和分析的准确性，表明针对子镜组件的一体优化设计方法是合理的，为空间相机反射镜支撑结构组件级一体化设计提供了新思路。

主三反射镜支撑结构是离轴三反生物成像系统研制过程中的关键技术难点之一，为了减少工作环境下主三镜面形变化，满足支撑系统稳定性要求，利用有限元方法对主三镜组件进行了优化设计。首先，根据光学系统设计要求确定了反射镜及其支撑结构的材料和支撑方式。接着，优化布局了反射镜底部3点和侧面6点支撑位置，设计了轻量化镜室结构。根据优化数学模型设计了圆弧悬臂梁式柔性铰链结构，分析了在重力工况下和温度载荷工况下各参数对镜面面形精度的影响。然后，对反射镜支撑组件进行了静力学和热力学仿真分析，分析结果为重力工况下镜面均方根值RMS为1.529 nm，温度变化4 ℃时镜面均方根值RMS为2.426 nm。最后，采用Zygo干涉仪对支撑作用下的主三反射镜和系统波像差进行检测，实测反射镜镜面RMS值为0.025 λ，系统波像差RMS值为0.102 λ(λ=632.8 nm)，基本满足了生物成像系统技术指标（主三镜镜面RMS≤λ/40，系统波像差RMS≤λ/10）要求。

针对某Φ1550 mm口径高轻量化反射镜在轨面形误差RMS优于1/50λ （λ=632.8 nm）的高精度要求，为模拟在轨失重状态，降低反射镜光轴水平状态面形检测时重力的影响，对反射镜进行了多点主动支撑式重力卸载参数优化。首先，在反射镜分区的基础上，提出了卸载力大小、支撑点数量及轴向初始位置的确定原则；随后，建立反射镜的有限元模型，以重力与卸载力共同作用下主镜面形RMS优于0.002λ为目标，以卸载力轴向位置为参数进行仿真优化，通过对参数的影响规律分析总结出快速优化要点，实现优化过程的简化；最终使重力引起的面形误差RMS值减小至0.00145λ。将优化后参数应用于反射镜光轴水平状态的面形检测中，测得绕轴0°、120°、240°时面形RMS分别为0.0157λ、0.0161λ及0.0159λ，且面形分布较为一致，说明经卸载后重力对面形的影响被有效消除。所提出的重力卸载优化方法灵活高效，为实现大口径反射镜的高精度光学加工及在轨使用提供保障。