地平式天文望远镜在跟踪观测过程中,因方位轴与地球自转轴不重合及库徳光路中的折轴反射镜在望远镜跟踪过程中相对转动,会引入物方及像方视场旋转。传统的消旋K镜可以消除视场旋转,但会带来较大的仪器偏振,不利于望远镜实现高精度偏振测量。无偏消旋镜由5块反射镜组成,通过优化设计可以保证在消除像旋的同时减小仪器偏振,但其不规则的结构设计使装调过程面临新的挑战。针对无偏消旋镜提出双光路自准直装调方案,基于MATLAB仿真分析了镜面误差及光轴偏差对装调结果的影响,并对无偏消旋镜进行实验室装调及偏振检测。结果表明:无偏消旋镜经装调后倾斜误差可控制在15 arcsec以内,其仪器偏振明显低于传统K镜。

随着天文探测水平的提高,偏振像差对天文望远镜成像质量的影响逐渐凸显。基于偏振光线追迹,分析了一种用于探测宇宙弱引力透镜效应的无遮拦离轴天文望远镜的偏振像差,得到了该望远镜的琼斯瞳、振幅响应矩阵以及望远镜中各个反射镜的二向衰减和相位延迟分布特性。计算发现偏振像差会影响该望远镜的成像对比度,同时还会改变其点扩展函数的空间分布。计算了偏振像差对望远镜光学椭率的影响,结果表明偏振像差会导致该望远镜光学椭率在全视场范围内发生不同程度的变化,最大改变量为7.5×10 -3,平均改变量为2.7×10 -3。在视场[-0.0487°,0.155°]附近,偏振像差使得该望远镜光学椭率最大插值误差由1.2×10 -4增大为1.1×10 -3。本文研究结果表明,对于探测弱引力透镜效应等要求超高成像质量的天文望远镜,偏振像差不可忽略,需要进行优化设计。

精导星传感器广泛地应用于空间红外天文望远镜中，它利用光学系统的长焦距及相关算法获得高精度像移，实时地为精密稳像控制系统提供补偿信息。本文详细介绍了精导星传感器的设计过程：设计了与载荷共光路的光学系统成像方案，选择了适合在深低温环境下工作的碲镉汞探测器作为精导星传感器(Fine Guidance Sensor，FGS)探测器，采用基于专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)的前置电路代替了传统印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)电路，设计了科学观测中的精导星功能；为了满足精导星传感器高精度实时检测的需求，选择 ROI-IDFT矩阵乘法运算对相关峰及其附近区域进行变换，避免冗余计算，降低了运算量。最后，本文总结了精导星传感器在工程实现中亟待解决的关键技术以及应用前景。

多层共轭自适应光学系统被广泛应用于地基大型天文望远镜, 其可以改善大气非等晕的影响, 并有效扩大校正视场。基于MAOS软件, 在仅考虑大气非等晕影响的情况下, 研究了在可见光波段(0.6 μm)和红外光波段(2 μm)下两种自适应光学系统的对比, 多层共轭自适应光学系统相比传统自适应光学系统在可见光波段性能提升显著; 以及双层共轭系统中, 当第一个变形镜共轭于入瞳处时, 第二个变形镜共轭高度变化对系统性能的影响, 在可见光波段确定最佳共轭高度对提升性能十分重要, 并初步探讨了在单层自适应光学系统中, 变形镜致动器个数对系统性能的影响。

大口径的地基红外望远镜必须安装在具有良好大气条件的观测台站才能充分发挥其性能, 天空背景辐射和大气传输特性是地基红外望远镜站址选择所需考虑的重要内容。采用消光-小角度散射法在西藏羊八井实测了太阳直接红外辐射和大气背景红外辐射, 并根据备选站点的大气参数, 采用CART软件计算了当地8~14 μm波段整层垂直大气的光谱透过率、太阳直接光谱辐射和地面大气垂直向下的背景光谱辐射, 以及相关量的波段积分值, 这些结果有助于地基红外太阳望远镜的站址选择。

杂散光抑制是空间天文望远镜设计的重要部分，其中地气光的抑制较为复杂。为分析空间天文望远镜所处环境的地气光，以一典型空间天文望远镜为例，基于辐射传输理论，建立了其关键部位—太阳挡板的地气光辐照度计算模型。基于该模型，仿真得到了不同工况下地气光在挡板处的分布特性，并计算了望远镜通光口处一次地气光和二次地气光的辐射通量。计算结果表明：对于低轨道的空间天文望远镜，太阳挡板是关键杂光源，其引入的二次地气光影响大于直接进入望远镜通光口处的一次地气光，在进行杂散光抑制设计时，应重点考虑。

对国际上已完成的光学/红外天文望远镜进行了回顾和总结，详细论述分析了正在研制建设的下一代天文望远镜，主要包括科学目的、光学结构、搭载仪器、性能参数等。重点对下一代天文望远镜的光学设计/口径、站址/轨道进行了总结归纳，其在地基/天基协作观测、器件模块化通用化、观测结果大数据分享等方面展示了自身的技术特点和发展趋势。借鉴国外经验，结合我国实际情况可形成自身优势特色领域。同时在长期规划制定、开放民间资本等方面提出几点思考和建议。

对国际上已完成的光学/红外天文望远镜进行了回顾和总结，详细论述了正在研制建设的下一代天文望远镜，主要包括科学目的、光学结构、搭载仪器、性能参数等。分析了下一代天文望远镜的技术特点、发展趋势。借鉴国外在计划制定、工程应用等方面的经验，结合中国实际提出几点思考和建议。

针对斜轴式天文望远镜传统机架中的非垂直轴系结构会导致像场旋转, 从而影响天文望远镜指向和跟踪控制的问题, 研发了新的45°斜轴式天文望远镜机架。设计时, 选取太阳为跟踪目标来搭建硬件机架驱动控制系统; 利用图像传感器实时捕获目标, 经数字信号处理(DSP)芯片精确解析目标质心, 通过图像消旋解耦出方位与斜轴两方向的偏差。然后, 结合模糊控制与神经网络的各自特点, 设计了单神经元模糊自适应PID控制算法实施偏差调节, 以实现对目标的定位与跟踪。实验结果显示, 该驱动控制系统的水平与斜轴方位的跟踪偏移误差均在±2 pixel以内, 水平指向偏移误差均值为0.123 2°, 俯仰指向偏移误差均值为0.155 3°。得到的结果表明该驱动系统鲁棒性强, 能够克服斜轴机架像场旋转导致的控制问题且满足精度要求。