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。

具备连续变焦功能是目前先进红外热像仪的重要特征之一，而变焦凸轮是驱动连续变焦光学系统中各镜组运动的关键部件。为了设计出良好性能的变焦凸轮结构，本文首先应用动态光学理论推导出变焦光学系统的像移补偿组公式得到像移补偿组的轨迹曲线，然后利用序列二次规划法(sequential quadratic programming, SQP)优化算法来减小动态光学曲线的压力角，结合光机设计理论运用 Creo进行凸轮曲线生成及凸轮槽切除从而获得变焦凸轮结构。再基于有限元分析理论对凸轮结构进行分析，最终通过变焦系统运动及成像结果确认本文方法可行。

为平衡高转速下镜面面形变化过大和主镜轻量化这一对矛盾，对主镜开展拓扑优化设计。使用HyperMesh软件将主镜划分为六面体单元，将主镜的两个镜面所有节点沿主镜中轴线方向的位移定义为响应，利用镜面面形均方根误差（相对于静止面形）评估主镜面形变化并作为优化约束，以最轻量化为目标对主镜进行拓扑优化。将优化后结构进行几何重构，代入OptiStruct软件进行重新计算；依据重构模型加工主镜，利用干涉仪测量光学加工后镜面面形均方根误差。优化结果显示，镜面面形均方根误差在0.35 μm以内，质量减轻了38.54%。单点车加工面形精度为0.08 μm（标定得到的结果），故光学加工后镜面均方根误差理论上不超过（0.35+0.08） μm；利用干涉仪测量光学加工后镜面面形，其镜面1和镜面2的面形相对于单点车理论面形分别相差0.36 μm、0.31 μm，均小于0.5 μm。

基于离轴三反的前置望远系统, 结合分振幅同时偏振成像技术, 设计了一种运用于卫星平台环境的高空间分辨率的同时偏振成像仪, 能同时获取目标的斯托克斯偏振参数, 为抑制海面耀光、海雾、大气辐射等干扰, 提升探测目标对比度提供了一种有效手段, 在进行动态目标探测方面具有明显优势。并以光学设计为输入进行详细结构设计。最后通过实验室整机性能测试, 仪器的工作谱段500~700 nm, 视场角8.5°×0.1°, 空间分辨率为5 m@500 km, 光学MTF>0.4@71.4 lp/mm, 在高度角30°、反射率0.2的条件下, 信噪比优于38 dB, 偏振测量精度优于1%(P≤0.3),整机一阶模态195 Hz, 结构能够承受发射时严苛的力学环境, 具备良好的强度和刚度。整机性能满足实际使用需求。

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。