基于异形孔径光阑的成像系统像方光强分布计算对显微系统自动对焦、景深扩展等成像技术领域发展有极其重要的理论价值，而传统的菲涅耳衍射光强分布计算公式仅适用于轴对称孔径光阑，且在焦平面处光强分布的问题。利用标量衍射理论，通过结合频谱变换与正交分离，推导出适用于异形孔径形状、任意离焦量的像方空间光场强度分布数理关系式；并利用离散傅里叶变换原理，获得了基于异形孔径光阑的光学成像系统像方空间光强分布的数值计算表达式。在圆形孔径光阑、焦平面处，对获得的表达式与传统计算公式进行了对比计算与分析，两组计算结果完全一致。针对半圆形孔径光阑，在相同的系统参数下，在离焦量分别为0，4，8 μm三个像方位置处，数理模型理论计算的结果与实验测试结果基本一致。从而证明所推导数理模型的准确性，其可适用于任意形状的孔径光阑。

针对当前水驱开发油田井下注入水的颗粒度难以实现外场在线检测的技术难题,设计了一个基于光学散射原理的注入水颗粒度的在线检测光学系统。采用波长为640 nm的激光光束,通过4×准直扩束系统获得了8 mm的照明孔径。利用光瞳匹配和像差平衡,完成了直径为42 mm的紧凑型光学系统的优化设计,该系统可实现1~100 μm粒径的井下实时在线检测。光学系统的焦距为50 mm,视场角为17°,通光口径为8 mm,所有视场点斑半径均小于6 μm,可有效避免非散射光对感光环带能量的干扰。利用样机对标准颗粒试样进行检测,测试误差小于5%,满足设计要求,从而验证了设计系统的可行性和合理性。

由于数字微镜（digital micro-mirror device, DMD)哈达玛变换光谱仪其成本低, 光能利用率高及无运动部件等优势, 逐渐成为光谱仪领域的研究重点。 研制了一款基于DMD的哈达玛变换光谱仪。 为了解决光谱仪谱线弯曲造成的光谱分辨率下降的问题, 对基于DMD的哈达玛变换光谱仪中的谱线弯曲所引起的谱带混叠进行了分析。 首先, 导出了谱带混叠与谱线弯曲的关系式。 然后, 提出了两个过程来解决谱带混叠, 一是通过调整DMD编码条纹, 使DMD所编码的谱带最大限度地与标准谱带重合; 二是通过数据处理对谱带混叠进行修正。 最后, 通过对谱线曲率半径为5.8×104, 7.8×104和9.7×104 μm等六种情况下谱带混叠进行了分析与修正, 拟合出光谱混叠和修正效果与谱线曲率半径的关系。 结果表明: 对于不同程度的谱线弯曲经过这两个过程修正后, 分辨率都会改善到接近光学系统的分辨率, 说明这两个过程对修正谱线弯曲具有普适性、 并且方法简单、 有效。

针对液晶显示屏幕检测中光源照明均匀性较差的问题，基于非成像光学理论提出了一种大口径小角度的发光二极管(LED)照明光源设计方法。光源采用阵列式照明方式，对单颗LED 设计菲涅耳透镜实现小角度的准直照明；推导阵列均匀照度分布条件并利用TracePro 软件进行优化，确定阵列最优间距；最终通过在照明面上的光斑拼接叠加实现均匀矩形照明。照明光源由12×9个配光单元形成均匀方形阵列排布，每两个配光单元间距30 mm。仿真结果表明，光源的发光角度小于±10°，在距光源170 mm 的照明面上，平均照度大于45000 lx，非均匀性3.8%，均满足设计指标。该方法设计的阵列式光源无论平均照度还是照度均匀性均比现有光源有明显优势。

提出并设计了一个应用数字微镜(DMD)的哈达玛变换近红外光谱仪。以光栅为分光元件，用DMD 代替传统的机械式哈达玛编码模板进行光学调制，用InGaAs单点光电二极管探测调制后的光谱信号。综合考虑分辨率、能量利用率、像差和体积等因素，合理选择狭缝长和宽、光栅入射角及透镜焦距，采用光路分段优化法进行光学设计，通过DMD 面阵上的狭缝像和探测器上的点斑尺寸等分析设计结果。模拟分辨率优于4 nm，探测器上点斑尺寸小于3 mm,光学系统尺寸为75 mm×25 mm×85 mm。为提高光谱仪对弱光谱信号的探测能力，在系统前加入了一种集光结构，使从光纤出射的光能的利用率理论值提高24.2%。实验结果表明，该光谱仪的光谱分辨率优于6 nm，通过添加集光结构可以大大提高光谱仪的能量利用效率。该光谱仪具有分辨率高、能量利用率高、体积小、成本低等优点，有广阔的应用前景。

为了给制导系统半实物仿真器设计过程中像元映射比选取提供准确的依据，根据探测器与仿真器空间光调制器的工作原理，研究了像元映射比对半实物仿真实验的影响。将随机靶标特有的频谱分布特性引入到仿真实验模型中，进行频谱计算，分析了不同像元映射比、不同相位变化对调制传递函数的影响，获得了映射比与调制传递函数之间的变化曲线。分析结果表明：当映射比为0.31和0.71时，相位变化对调制传递函数的影响可以忽略不计，而且系统的调制传递函数下降最小，稳定性好。分析结果为像元映射比的选择提供了定量依据。

为了克服经典光谱仪中由于入射狭缝的遮挡导致的系统内光通量很小的缺点，提出了一种新型阿达玛变换光谱仪的设计理念. 给出了以柱面镜来整形光束的方法，利用理论计算得出含有数字微镜阵列光谱仪的光谱分辨能力和像元分辨能力，确定了该类光谱仪的极限分辨率.根据几何光学成像理论，提出一种增大成像透镜焦距的优化方案，可以提高光谱分辨率，并且更有益于机械装调. 实验结果表明，该阿达玛变换光谱仪具有高光通量、提高5倍的信噪比、较小的光谱带宽(3.5 nm)等特点，可为微弱光谱信号的检测提供便利条件；光谱仪选择的近红外探测器无需制冷，降低了阿达玛变换光谱仪的制作成本，具有更强的市场竞争力.

设计了一种基于慢光介质色散特性的新型干涉装置, 研究其物理过程, 证明利用慢光介质可以有效提高干涉仪的光谱灵敏度, 并且光谱灵敏度与慢光介质的群折射率成正比。同时, 进一步具体分析慢光介质GaAs的色散特性, 给出研究色散型慢光干涉仪的一般性方法, 并证明使用慢光介质GaAs在近红外区域可以提高光谱灵敏度2倍左右。