高动态范围的图像可用于同时探测具有较大对比度的亮暗目标, 利用数字微镜(DMD)获取高动态范围图像是目前最为先进的一种技术。本文在分析DMD工作原理的基础上, 设计了一种像素级的高动态范围图像获取系统, 该系统由光学系统、机械系统、DMD像素级调光算法及成像单元组成。光学系统采用二次成像光路, 其中第一次成像物镜采用像方远心光路, 第二次成像的转置镜头采用放大倍率近似1∶1的准对称结构, 机械系统采用光学元件的包边设计和定心车工艺, 达到秒级的光学装配精度; DMD像素级调光算法采用搜索单个微镜像素在图像帧周期间的控制权值实现, 成像单元可同时兼顾科学级12 bit sCMOS和8 bit CCD, 设计完成的原理样机验证了系统设计的正确性, 其获取的图像动态范围可达140 dB以上, 远高于传统摄像机78 dB的动态范围。

太阳模拟器是非成像光学领域的重要应用。由于光学系统的特殊性，导致其光路很长，当采用双分离准直物镜时，准直系统的长度占了很大一部分。因此为实现太阳模拟器的小型化，提出将具有短后截距的摄远物镜替代通常采用的双分离准直物镜，从而缩短准直系统的长度，使光学系统的结构更加紧凑。同时设计了一种三片式的摄远物镜，并通过LightTools 软件仿真分析的方法研究了这种三片式的摄远准直物镜对太阳模拟器技术指标的影响。仿真结果表明：应用这种摄远物镜可以在太阳模拟器技术指标变化不大的情况下，实现太阳模拟光学系统缩短，有利于太阳模拟器的小型化。

椭球面聚光镜是太阳模拟器设备的重要组成部分，其能量收集的效率决定着太阳模拟系统的能量传递效率，而太阳模拟器光学系统中的椭球面聚光镜参数一直没有理论上的设计依据，结合氙灯的发光特性并通过对MATLAB 中建立的椭球面聚光镜聚光过程数值分析模型给出了椭球面聚光镜包括第一焦距、最大成像放大倍率、包容角范围及前后开口直径的确定依据，并通过在Lighttools 中建立的4种仿真模型验证了理论分析的正确性。第一焦距由光源光中心高确定，最大成像放大倍率由光学积分器相对孔径及椭球镜包容角范围共同确定，椭球镜包容角范围不小于30°～120°，前开直径口由椭球镜的最大孔径角确定，后开口直径由最小孔径角和光源的径向调节量共同确定。该结论给椭球面聚光镜的设计提供了理论支撑，有利于设计完成高能量收集效率的椭球面聚光镜。

辐照面的均匀性是太阳模拟器的重要指标。椭球面聚光镜是太阳模拟器的重要组成部分，它能够将光源发出的光能收集并会聚在第二焦面上，并在第二焦面上形成中间强边缘弱的高斯能量分布，该能量分布直接影响辐照面的均匀性。从椭球面方程泰勒展开后得到的高阶方程中演变得到了一种变形的椭球面，这种变形椭球面聚光镜能够改善第二焦面上的能量分布，使第二焦面上光能量的强弱对比减弱，从而提高太阳模拟器辐照面的均匀性。将某项目中的椭球面聚光镜进行了变形，并在Matlab中进行了数值计算，获得了变形椭球面曲线，最后通过LightTools仿真分析证明该变形椭球面聚光镜有利于第二焦面上能量分布均匀性的提高。

为测量某项目中经过投影物镜观察到的胶片位置处的亮度均匀性，设计采用了成像式亮度测量方法，该方法能够获得整个辐照面的相对亮度分布，较传统的采用光辐射计、光电池等采点取样测量方法便捷经济，采用成像式亮度测量方法测量得到的不均匀度为±4.24%,与采用光辐射计测量得到的不均匀度±3.92%基本一致，相对误差仅为8.16%，该方法可以推广应用于太阳模拟器均匀性检测及场馆均匀照明检测等方面。

为解决大气湍流造成的图像退化问题，本文鉴于现有的盲解卷积算法收敛性不稳定，计算量大等特点，提出了一种基于加权预测的迭代盲解卷积算法。对目前性能优秀的用迭代实现盲解卷积的L-R算法进行优化，在每次迭代结束后通过加权方法求出预测值，根据预测值计算方向加速算子，从而大大提高算法的收敛速度。实验表明:该算法不仅可对模糊退化图像进行很好的复原，同时与L-R算法相比收敛速度提高约438倍，其迭代速度快的特点决定了算法具有较高的工程实用价值。