在同步辐射光源、自由电子激光、X射线天文望远镜等研究领域,均会采用大尺寸反射镜实现对X射线的反射或聚焦,这些大尺寸反射镜的面型误差直接决定了相关领域光束的质量。在大尺寸反射镜面的高精度加工和使用过程中,高精度非接触的光学检测技术起到了关键性作用,长程面形仪(LTP)和纳弧度测量仪(NOM)是实现大尺寸反射镜检测的主要仪器,可以实现逐点扫描检测表面的斜率。NOM装置使用商业化高精度自准直仪替代了LTP中复杂的检测光路极大地提高了测量精度,但当其作为反射镜测量时,为了反映反射镜表面斜率的细节,需要测量光束的直径小于1mm,而商业化自准直仪的口径为30mm以上,因此NOM在使用自准直仪时通常采用小孔光阑选出一束细光束用于测量,即自准直仪工作在大口径、细光束模式下。这样设计于宽光束的自准直仪,用于细光束工作模式时会因光束口径改变引入额外的测量误差。因此为了满足NOM细光束测量的要求,本文针对大口径细光束自准直系统进行了研究。本论文详细介绍了国内外自准直仪的发展现状,深入研究了自准直光学原理和单模光纤光源的原理,并根据仪器拟达到的技术指标,提出了具体系统的物理设计方案。结合MATLAB和ZEMAX软件对光源准直系统进行了验证与设计,优化了f-θ透镜参数使其满足细光束工作模式,并对细光束下影响自准直仪测量精度的各误差源进行了深入分析,对入射光束发散度误差进行了ZEMAX模拟验证,通过对上述误差的定量与定性分析,直观的观察到各类误差源对系统精度造成的影响,为后续大口径细光束自准直系统的设计提供了重要的理论支持。最终对整个大口径细光束自准直测量系统进行了ZEMAX模拟,得出该光学系统在工作距离为1~2m,量程为5mrad以内时的测量误差<400nrad,满足系统的总体设计要求。