针对太阳翼工作特征，设计了一种截断复合平面聚光器，并通过耦合实时日地距离、地星空间关系以及太阳辐射理论，构建了太阳翼接收太阳辐射模型。研究采用编程计算、仿真模拟和实验验证相结合的方式，结果表明复合平面聚光器的聚能特性与理论预测结果趋于一致。电池板表面太阳辐照度平均绝对误差仅为0.04 W/m²，卫星受晒特征时间平均绝对误差为18.2 s。太阳翼理论发电功率峰值相较于常规太阳翼提升了约87%，且接收半角内电池板表面能流密度平均均匀度达到了0.615。研究结果可为太阳翼的结构设计与优化提供参考。

提出了一种基于变焦原理和初级像差理论的机械补偿式的长焦距离轴全反射式三档变焦光学系统设计方法。首先，建立了同轴四反射镜变焦光学系统初始结构求解模型，基于该模型，应用开发的自适应变异概率遗传算法对其进行求解，得到了同轴系统部分初始结构参数；然后，将其进行适当偏心和倾斜来消除共轴系统中心遮拦问题，结合光学设计软件Zemax对离轴系统像差进行校正。最后，应用上述设计方法，系统中各块反射镜光学面采用非球面设计，设计出高成像质量的焦距为300、600、900 mm的三档变焦离轴四反射镜光学系统。结果表明，该方法为离轴全反射式三档变焦光学系统设计提供了一种有效手段，能设计出满足实际应用需求的系统。

针对火箭点火、无线传感等中距离、强电磁干扰环境下的供电问题，设计了一种可见光无线传能系统，利用可见光实现数米距离的无线能量供给。通过光学仿真软件建立了可见光无线传能系统的光学模型，分析了光源轴向离焦量、平凸透镜位移对光能利用率、光斑均匀性、光电转换效率的影响，并确定了系统的实验参数，为实现更大功率、更远距离、更高效率的可见光无线传能和变距离传输自动装置提供了依据。实验测试结果表明，使用反光和聚光透镜组合，大幅减少了光束散射，有效提高了可见光无线传能系统的能量传输效率。该系统有助于解决当前无线供电米级以上的中距离盲区，以低成本解决部分极端环境下更换电池不便、电磁干扰严重情况时的小功率装置供电问题。

为了解决视觉测量在非均匀折射率环境中应用时出现的成像畸变问题，建立了在非均匀温度场中形成的非均匀折射率场，研究了光线在该折射率场中的轨迹并根据轨迹偏差修正了图像畸变。利用背景纹影法重构了由非均匀温度场产生的空间折射率场，将空间点发出的光抽象为光线，根据龙格-库塔法修正非均匀折射率场中的光线轨迹并校正图像畸变。利用PnP（pespective-n-point）算法和校正前后图像中同一点的像素坐标解算该点的世界坐标。实验结果表明，该方法能有效降低测量误差，修正被测图像的畸变。

本文采用共线和非共线两种大动态范围扫描三阶相关技术测量飞秒激光脉冲，并对其测量结果及其特征进行了理论和实验分析。实验发现，共线式扫描三阶相关方法由于存在基频光在空气中通过三倍频过程直接产生三次谐波的现象，导致实际能够测量的动态范围下降；而非共线式扫描三阶相关技术虽然对脉冲强度具有较高的动态测量范围，但非共线夹角和光斑的大小对测量脉冲宽度有很大的影响。理论计算和实验结果表明，非共线情况下，入射到和频晶体上的光束夹角和光斑直径越大，测量得到的脉冲宽度也越大。共线和非共线两种方式均不影响对次脉冲位置的判断，但由于非共线式三阶相关测量得到的脉冲宽度增加，主脉冲附近的小脉冲结构或者距离较近的两个脉冲将会难以分辨。

旋转波片法成像斯托克斯偏振仪由可旋转的1/4 波片、固定的检偏器、成像光学器件和光电探测器构成，1/4波片的快轴方位角误差和相位延迟量误差是旋转波片法成像斯托克斯偏振仪的主要误差源，对其进行误差标定和补偿，可有效提高测量精度。为此，通过研究旋转波片测量法和傅里叶分析法，推导出入射光束斯托克斯参量与1/4波片参数误差之间的关系式，从而提出一种误差标定新方法，该方法以水平线偏振光作为标准参考光，对标准参考光进行测量，计算得到1/4波片的参数误差，并将其代入相应理论公式中，从而实现误差补偿。实验结果表明，通过误差标定和补偿，成像斯托克斯偏振仪的平均测量精度由原来的5.12%提高至1.78%，验证了该方法的有效性。

干涉仪参考镜面形离焦误差难以精确标定，是导致拼接累积效应、制约平面子孔径拼接系统检测精度的主要因素。推导了参考镜离焦与拼接累积误差、拼接次数间的定量表达式，基于该表达式在拼接过程中标定并去除参考镜离焦误差，降低拼接累积误差。对450 mm×60 mm 的平面镜进行了8个子孔径的拼接检测，与大口径干涉仪检测结果比对，去除参考面离焦误差前后拼接测量误差峰谷(PV)值从λ/10减小至λ/30，有效提高了拼接测量精度。结合绝对检验技术标定参考镜高阶面形误差，验证了离焦是引起拼接误差累积的主要因素，消除参考镜高阶面形误差并不能显著提高拼接检测精度。

对于精密光学元件表面微米亚微米量级的表面缺陷，光在缺陷处会产生强烈的衍射和散射效应，其在像面的分布情况不能简单地使用几何光学进行解释。采用时域有限差分方法(FDTD)建立了光学元件截面为三角形、矩形的表面缺陷的电磁理论模型，模拟仿真得到了缺陷附近区域及像面的散射光分布情况。并使用电子束曝光、反应离子束刻蚀工艺制作了矩形截面的缺陷样本板，对样本缺陷进行了散射成像实验，得到了暗场图像的灰度分布情况，并与理论仿真结果进行了比对。实验中得到的表面缺陷的像面光强分布情况与理论模拟基本吻合，为光学元件的加工制造和缺陷检测的尺度标定提供了理论依据和参考。

机载LiDAR 中的一些工作参数既有控制误差，又有测量误差，如机载平台的飞行轨迹、姿态角和激光扫描仪的扫描角等，两种误差均会造成点云产品质量降低。为分析两种误差对点云产品精度的影响机理，从理论上分析了两种误差对点云和数字表面模型(DSM)精度的影响，通过数值仿真，模拟了机载LiDAR 的测量过程，以机载平台姿态角参数为例，定量评价及比较了姿态角的控制误差和测量误差对点云分布及DSM精度的影响大小。结果表明，机载LiDAR的测量精度取决于这两种误差的影响，其中控制误差主要造成点云分布区域及密度改变，继而导致DSM失真增大，而测量误差造成点云定位精度和重建DSM 精度降低。因此，需采取措施分别对两种误差进行抑制补偿。

针对基于结构光投影的三维形貌测量，提出了一种基于颜色分割的双波长条纹投影修正算法。在波长选择的双条纹投影相位展开算法基础上增加了一张彩色条纹图，将条纹图按颜色划分为不同的条纹区域。在不同的条纹区域中通过查找表方式对相位图进行相位展开操作。实验结果表明，该算法具有测量范围广、计算量小、精度高以及速度快等优点，能有效解决所选波长较短时查找表重复的问题。