为了实现大像面、小投射比、高清画面要求，设计了一款折反式超短焦投影镜头。根据性能指标要求选择了反远距系统，采用缩放法获得初始结构，由出瞳位置不同视场光线与像面的高度关系，计算获得了反射镜坐标数据，拟合得到反射镜面型。采用点列图、场曲/畸变和调制传递函数(ModulationTransferFunction，MTF)曲线对像质进行了评价。最终获得了焦距为 5.45mm，投射比为 0.4的物方远心系统，在投影距离 720mm时可投射 80inch画面，清晰度为 1080p，视场角为 136°，放大倍率约为 125倍，系统点列图均方根(RootMean Square，RMS)半径小于 750μm，畸变小于 0.2%，相对照度在 96%以上，其 MTF曲线幅值在 0.54lp/mm时均大于 0.3。公差分析表明，系统设计合理，成像质量良好。相较于其他折反式超短焦投影镜头，该系统在保证成像质量的同时折射部分未使用非球面，有效降低了加工和装配难度。

辐照强度均匀性是太阳模拟器的一项重要指标,采用光学积分器进行匀光具有设计复杂和成本高等问题。采用三维打印技术制备的模具,将超高效镜面反射片压制为微球面反射镜片,用两片微球面反射镜片和圆筒形光导管组成新型匀光器,利用光的漫反射原理,得到在150 mm直径光斑上的辐照强度不均匀性为1.12%,该结果达到IEC 60904-9的A级水平。新型匀光器具有结构简单、光源利用率高、造价低廉等特点。

为了在地面制造环境下实现大口径空间非球面反射镜的零重力面形加工, 建立了基于重力卸载的高精度旋转检测工艺方法。首先对N次等间隔旋转法的基本原理进行了介绍, 并结合一块Ф1 290 mm ULE材料的非球面反射镜加工实例, 分别给出了旋转法实施环节中的旋转角度和偏心误差控制方法, 实际角度误差和偏心误差分别优于0.1°和0.1 mm。然后, 在低精度阶段采用了3次旋转法对检测结果进行处理, 主镜面形精度快速收敛至0.029λ-RMS; 同时由于应用旋转法而导致镜面上的对称性误差累积放大, 进行了针对性去除, 面形精度进一步收敛至0.023λ-RMS。最后, 采用了6次旋转法对检测结果进行处理并指导光学加工, 反射镜6个方向下的实测面形精度为0.012λ-RMS, 去除重力变形误差后面形精度达到了0.010λ-RMS, 该面形可以认为是卫星入轨后零重力空间环境下的反射镜面形。文中所述加工工艺方法不仅适用于米级口径, 还适用于更大口径空间非球面反射镜零重力面形的高精度加工。

介绍一块Ф1300mmULE材料非球面反射镜的加工与检测方法。采用非球面超声铣磨、机器人研抛等多个工序组合加工技术完成了非球面反射镜的加工。在非球面检测中, 采用大口径三坐标测量的方法进行了研磨阶段的面形检测, 通过Z向滤波的方法对面形拟合过程中的噪点误差进行了处理, 将研磨阶段的面形精度提高至5μm PV值。在干涉仪测量阶段, 采用气囊支撑方法对反射镜的重力误差进行了卸载, 通过非线性误差矫正的方法去除了零位补偿检测所带来的非线性误差, 反射镜的最终精度达到0.016λRMS。试验结果表明, 大口径非球面反射镜各项技术指标均满足设计要求, 所用工艺方法适用于加工更大口径的非球面反射镜及其他类型的大口径非球面光学元件。

在动态测试中为消除传感器的动态误差，需对传感器进行动态校准。动态校准系统是获取传感器动态特性的装置，可充分激励传感器的有效工作频带。针对瞬态温度测试领域，介绍了应用于接触式传感器的温度传感器动态校准系统。对系统中的光学聚焦系统进行了结构设计，由几何光学理论建立了计算模型，提出了确定被校传感器及红外探测器位置的方法。分析结果表明：该设计方法可有效优化光学聚焦系统结构设计，同时红外探测器可接收大部分的红外辐射，有效提高了系统的灵敏度和信噪比。针对不同的应用场合，提出了光学聚焦系统其他的结构设计。

为了克服大口径大偏量非球面面形测量的困难，将光学干涉技术、零位补偿技术、哈特曼波前探测技术和子孔径拼接技术融合在一起，提出了大口径非球面复合检验技术。对该方法的基本原理和具体实现过程进行了分析和研究。当非球面研磨完成后，搭建零位补偿干涉光路，并使光路转折，利用动态范围很大的哈特曼波前传感器对大口径非球面反射镜进行多个子孔径相位数据的测定，并通过子孔径拼接算法求解得到非球面整个口径的面形误差分布。当非球面面形误差的峰谷(PV)值小于5λ（λ=632.8 nm）时，利用复合检测技术对一大口径非球面进行了检验，两种方法得到的全口径面形误差分布的PV值和均方根(RMS)误差值的偏差仅为0.11λ和0.004λ，根据复合测试结果指导非球面后续加工，最终非球面全口径面形误差的RMS值优于λ/50。

针对大屏幕投影显示对成像物镜提出的超短焦、大视场角、超薄化、大相对孔径以及高清晰度等要求，设计了一种新型折反射式超薄投影成像系统。采用TI公司的0.65″数字微反射镜片(DMD)作为空间光调制器，利用非球面反射镜校正畸变并缩短投影距离，然后通过一个折叠反射镜对光路进一步转折来实现超薄化投影显示。系统由5片透射镜片和1片非球面反射镜组成，焦距为2.8 mm，F/#为3.5，最小视场角为55°，最大视场角为78.5°，在投影距离为120 mm时画面尺寸显示为65.2″。设计结果表明：在像面的Nyquist频率处，95%以上视场的MTF＞0.6，最大畸变量为0.8TV%，一个像元尺寸内能量集中度在90%以上。为了进一步验证折反射式超薄投影镜头的性能，加工并组装了原理样机。实验结果表明其图像显示效果良好，能够满足超薄化、低成本、小型批量化生产等设计要求。

为了在光学装调中保证单件离轴非球面的精确定位，需要对其6个自由度进行严格控制，尤其要对影响离轴非球面装调最重要的离轴量和离轴角这两个自由度加以严格控制。现有离轴非球面加工和检测中，对这两个特殊参数难以给出精确数值，从而难以实现离轴非球面的精密光学装调。通过运用离轴反射镜的曲率半径中心像与工装基准光轴之间的变化规律，采用精密测量法实现对离轴量和离轴角的精确测量。装调实验证明，利用这一测量法，光学装调出的离轴非球面可达到离轴量0.05 mm和离轴角10″级的精度，检测出的镜面波像差均方根(RMS)为0.02λ（λ=632.8 nm），使该离轴非球面获得了理想的像质，实现了精确装调。