畸变是表征光学系统成像失真的像差之一,本质是光信息的几何错位。大视场光学系统很难控制畸变,可以通过图像校正的方法降低畸变的影响。在原子分子物理、固体物理、生物医学、应用光学等科研领域,激光系统、光谱仪等实验仪器广泛应用畸变校正技术。可靠校正结果的获取依赖于光学系统畸变的精确测量,畸变测量精度直接决定校正精度。目前常规光学系统的畸变测量精度数量级多数为10^-3,无法满足要求较高的光学实验仪器的测量需求,因此开展10^-4以上高精度的畸变测量研究工作十分必要。本文针对高精度光学系统畸变测量展开研究,具体内容如下。首先,从理论上分析畸变产生的原因,并阐述论证了不同畸变测量方法的测量原理,结合高精度测量要求,最终选择基于转角法展开高精度畸变测量的研究。其次,基于转角法原理开展了测量误差分析,得出测角误差、测长误差两大类主要误差源,并基于0.01%的指标要求完成了详细的误差分配。依靠算法优化保证误差分配选定的实验模块稳定精密地获取实验数据。再次,基于误差分配开展了高精度畸变测量仪器的详细设计,详细阐述了以误差优化为前提的硬件设计和算法优化方案,具体包括基于高精度转台结合偏心误差高阶补偿算法的精密测角方案、基于精密调焦台结合精密定焦/测焦算法的光学系统定焦及焦距测量方案和基于背照式图像传感器和亚像素级质心提取算法的像高测量方案。最后,完成了高精度畸变测量仪器的整机装调,并开展了大量的实验研究,数据表明,系统前期误差分配合理,模型正确,设计中针对误差源的优化设计方案效果显著。经过算法优化后,转台转角精度为2″,定焦精度为1.25μm,星点坐标提取精度为0.036像元。最终的相对畸变测量精度为0.009%,优于设计指标要求。研究成果可应用于原子分子物理、固体物理、生物医学、应用光学等科研领域,在物理学其他领域同样具有应用前景。