明确了几种三反和四反结构的性能优劣，进而获得一种性能优良的中高轨空间详查光学系统的设计方案。针对同一种光学设计技术指标，分析了空间详查相机的各项主要参数，利用Zemax光学设计软件设计了同轴三反射镜，一次中间像离轴三反射镜和无中间像离轴三反射镜3种三反光学系统以及同轴四反射镜，无中间像离轴四反射镜和一次中间像离轴四反射镜3种四反光学系统，均满足指标要求。对比了上述系统的优缺点，在综合考虑当前的光学加工、检测、装调的可行性以及高分辨力空间对地成像技术发展先进性的基础上，决定选用有一次中间像的离轴四反射镜光学系统作为最终方案，得到了有效焦距29 m，F 数9.7，视场角1°×0.3°，外形尺寸3200 mm×6489 mm×8194mm 的空间详查相机光学系统。对该光学系统的性能进行了模拟和验证，结果表明该光学系统的分辨率、传递函数、像差、畸变等各项性能优异。

为了缩短超短焦距投影仪的机械总长,克服传统离轴超短焦距投影系统的装调困难,降低系统的设计难度,设计了一种同轴的超短焦距投影系统。首先,通过分析像差与系统总长的关系,证明了需要保证系统总长的必要性。然后,通过镂空非球面反射镜中心部分,利用平面或球面反射镜折转光路,提出了一种新的设计超短焦距投影仪的方法。在保证光学总长的同时缩短了机械总长,提高了空间利用率,解决了同轴折反系统中存在挡光的问题。最后设计的系统总长为215 mm,投射尺寸为100 in。系统的投射比为0.17,物方NA为0.2,焦距为1.66 mm。各个视场传递函数在内奎斯特频率处达到0.5以上,各指标都满足了投影系统的要求。同时,在透镜个数相同的情况下,系统的性能都优于传统的投影仪。

为了消除散斑现象,对随机漫射体抑制散斑的可行性进行了探讨.分析了“随机微透镜阵列”作为随机漫射体在光束控制和光能利用率方面的优越性,并提出了在光学系统中加入转动“随机微透镜阵列”的方式抑制散斑.对加入这种结构后屏幕上的散斑进行了测量,验证了此种方法可以将散斑对比度降低到115%,使人眼分辨不出激光散斑,提升了激光电视的观看效果,并与传统的转动匀光棒法进行对比,体现了此种方法出色的抑制散斑的能力.

为了克服传统LED准直器在近场难以实现均匀照明的缺陷, 设计了一种双自由曲面均匀照明准直透镜.透镜分为折反两部分, 每部分都利用双自由曲面进行匀光和准直.根据马吕斯定律, 推导了实现光束准直出射的等光程方程, 并将切面迭代法加入等光程条件, 同步计算准直透镜上下自由曲面的面形数据.仿真分析表明: 对1 mm×1 mm的白光LED芯片, 84.55%的能量集中在±2°内, 近场照度均匀性达到94.59%, 远场照度均匀性为89.01%；当LED芯片尺寸不超过2.0 mm×2.0 mm时, ±4°内的能量利用率大于83.5%, 近场照度均匀性在90%以上.该准直透镜能同时实现近场和远场的均匀照明, 公差符合装配要求, 光能利用率高.

利用60吋全固态激光电视样机, 建立了原有的电视色度信号向激光电视色度信号转换的模型。根据激光显示的特点, 推导出以三色激光( 红: 660 nm, 绿: 532 nm,蓝: 457 nm)为三基色的激光电视颜色系统与荧光粉电视三基颜色系统的矩阵转换关系。利用解码模块、现场可编程门阵列(FPGA)色域转换模块和编码模块搭建了激光三基色系统和普通电视三基色系统的色域转换电路, 分析了电路中各个模块的作用及整个电路的工作过程, 实现了对高清视频信号的色域转换。对比了不同颜色在转换后的激光电视上与荧光粉电视上的显示效果, 对11个特征颜色的测量显示, 其色域转换误差小于9.8%。实验取得了很好的色域转换效果, 成功地验证了高清激光电视的色彩复现能力。

激光显示具有色域大、颜色饱和度高、显示画面尺寸灵活可变、无电磁射线辐射等优点。本文根据应用要求，研究和设计了一种用于球幕投影的激光显示广角镜头。分析和计算了激光三基色的白场和光功率匹配参数。投影物镜采用远心反远结构，并且为全球面光学系统，易于加工和检测。设计中有效地控制了系统畸变，利用光阑像差提高了投影显示像面边缘的光照度，改善了像面照度的均匀性，解决了广角系统中像面照度不均匀和畸变控制的难题。投影系统焦距为113 ｍｍ，F#数为25; 全视场角可达到110°。Nyquist频率处，90%视场内MTF大于06，像面照度均匀性优于95%，全视场畸变小于15%; 色差小于05 pixel。分析结果表明，本文提出光学设计思路和方法可行，满足应用需求。

为了提高可探测极限星等能力，观测到更多较暗较远恒星作为深空探测飞船导航定姿的参考星，设计了采用改进的卡塞格林结构与三片球面补偿镜组相结合的折反式星敏感器光学系统。其中，改进的卡塞格林结构有利于轴外消球差及彗差，同时生成系统焦距及大尺寸入瞳；靠近像面的补偿镜组校正反射结构的残余像差，同时补偿镜组像方远心的设计保证了系统全视场照度的均匀性，也降低了系统离焦对像面安装的敏感性。本系统焦距180 mm，像方F数2，全视场2ω为3°×3°，有效入瞳面积5106 mm2，在450~800 nm的宽光谱范围内质心偏差优于2.5 μm、垂轴色差小于3.5 μm，80%弥散斑能量集中在3×3 pixel内，传递函数接近衍射极限。采用主次反射镜遮光罩及两级外镜筒遮光设计，并在Lighttools软件中对光机系统杂散光模拟分析，设计结果表明在2°~40°杂光源成像视场范围内，点源透过率在10-6~10-4量级，该系统设计方案及结果可为用于深空任务的星敏感器系统的参考依据。