自由曲面能有效地简化光学系统结构并提高其性能,在照明光学系统和成像光学系统中均具有良好的应用前景。为了实现自由曲面的高精度光学检测,分析了自由曲面的计算机全息图（CGH）检测方法并讨论了它的限制因素;探讨了使用基准CGH区域解决自由曲面检测时的对准问题;设计并制作了直径为180 mm的CGH对某三次方项波前编码自由曲面（口径150 mm,PV为6λ,λ@632.8 nm）进行了光学检测,该方法的检测结果（0.068λrms）与非零位检测方法的检测结果（0.067λrms）一致,实验验证了自由曲面的CGH检测方法。该方法具有易对准、精度高和效率高的优点。

提出了运用干涉仪的Fiducial功能确定干涉仪CCD的测量坐标系与非球面镜面坐标系的对应关系，然后对两者关系进行正交化拟合，从而标定出非球面干涉检验中的投影畸变，并用于某高次、离轴非球面进行干涉检验中的投影畸变标定，拟合精度为1．96453μm。根据标定结果对干涉测量面形图重构，进行了数控抛光实验，最终面形精度达到均方根值λ／20（λ-0．6328μm），证明拟合精度完全满足数控抛光的要求。

为了实现某大口径碳化硅材料凸非球面反射镜检验，研究了无像差点法以及补偿检验法方案。经过比较优选，确定选用补偿检验方案并专门设计了高精度大口径非球面补偿器，设计精度为PV：0．008 2λ，RMS：0．0029λ（λ=632．8nm）。采用会聚光束，使用大口径数字干涉仪进行凸非球面正面检测，最终检测结果为0．022λ（RMS）。所述补偿器的设计方法和要求具有普遍性，设计结果也可用于同类型大口径凸非球面检验用补偿器的设计。采用该方法提高了凸非球面检测精度，并且在凸非球面镜的材料选择、结构设计、支撑方式等方面提供了更多的优化空间，为新型光学材料在凸非球面反射镜的应用奠定了基础。

为了实现某长焦距大视场轻型离轴三反空间相机的光机结构设计，基于SiC材料空间反射镜，采用适合于轻型高分辨空间相机的桁架结构，对离轴TMA系统的支撑结构进行了静力学、动力学建模，优化了结构形式。采用光机热集成分析方法，指导、评价和优化相机光机结构设计过程，提高结构固有频率，增强相机热稳定性适应范围。相机结构设计基频〉93 Hz，在±4℃均匀温变工况和重力作用下，相机光学系统传递函数（MTF）达到0．37；反射镜组件加速度响应最大放大倍数〈6倍。结果表明，采用该方法设计的相机结构固有频率高，重力变形、抗振性能、热变形等方面均能满足使用要求。