大孔径折反射成像系统被广泛应用于机器人导航和安全监控等领域。首先分析了超大视场光学系统六阶波像差理论应用于非球面光学系统的像差计算方法, 随后基于该六阶波像差理论, 构建了非球面大孔径折反射成像系统像差优化评价目标函数, 并给出了求解这种包含多个光学参量的目标函数的优化算法, 得到优化后的系统结构参数。最后, 应用所提方法设计了一款工作波段为400～700 nm、最大视场角为120°、F 数为2.6且成像质量较好的光学系统。设计案例的结果表明所提出方法是有效的, 为非球面大孔径折反射成像系统像差优化提供了一种有效手段。

角锥棱镜由于本身缺陷会导致失偏效应。在平面镜外差干涉仪中，使用一种保偏反射镜组替代角锥棱镜，以减小外差干涉仪的非线性误差。根据这个平面镜外差干涉仪的基本光路图，基于偏振分光棱镜和角锥棱镜的基本光学特性，分析了平面镜外差干涉仪中3个偏振分光棱镜偏摆角、仰俯角和滚动角，保偏反射镜组中2个偏振分光棱镜之间的间距和角度，以及角锥棱镜的偏摆角和仰俯角等误差对干涉仪的影响。推导出外差干涉仪中各个光学元件的最大安装误差，并规定好其加工精度，确保外差干涉仪性能。

由镜和光栅组成的XUV光学系统具有平面对称的性质，结合Lu平面对称光栅系统的波像差理论和均方根像差评价函数得到用以优化XUV光学系统的多参量目标函数。为求解该多自变量且大取值区间的目标函数，提出了一种基于十进制的实数编码遗传算法，并将其用于两种XUV光学系统的优化求值。将求得的优化值用光学仿真软件Shadow进行追迹，并和参考文献进行对比。结果显示本文优化后的光学系统在成像质量上有明显上升，表明波像差理论及本文的实数编码遗传算法可以有效地优化XUV光学系统，为此类系统的优化设计提供了新的思路。

对于鱼眼镜头一类光学系统，其超大视场的物点对于光学系统的成像，是符合平面对称光学系统的成像规律的。应用LU发展的平面对称光学系统的波像差理论，研究如何在鱼眼镜头光学系统中应用非球面对成像系统进行优化设计。首先，通过计算各个光学面的非球面系数对超大视场光学系统波像差的影响，找到受非球面系数变化影响最大的几个光学面；然后，以这几个面的非球面系数为变量，以光学系统调制传递函数作为评价函数，应用自适应归一化实数编码遗传算法，优化设计鱼眼镜头光学系统；最后，通过实例验证了所提出方法的有效性。所提出的方法可以有效地确定一个或多个最佳非球面的位置，对优化设计鱼眼镜头系统具有指导意义。

鱼眼镜头系统具有平面对称、超大视场、大孔径成像等特点，使得其设计十分复杂。波像差理论是研究光学系统的重要手段，由于鱼眼镜头系统具有平面对称的成像特性，赛德尔初级像差和基于轴对称光学系统发展的高阶像差理论不再适用于鱼眼镜头系统的像差分析和设计。介绍了六阶波像差理论，包括六阶本征波像差、五阶像差、衍生波像差及孔径光线二阶精度对波像差的影响，给出六阶波像差理论设计鱼眼镜头系统的流程图，应用六阶波像差理论设计鱼眼镜头前光组，由其前光组与后光组像差平衡设计了后光组。最后得到一成像质量良好的鱼眼镜头系统，该镜头的焦距为5.989 mm，视场角为180°，相对孔径为1/3.2。设计结果表明，该鱼眼镜头系统的调制传递函数（MTF）数值在空间频率为60 lp/mm时均不低于0.56，具有较好的成像质量。

基于平面对称光栅反射镜系统的像差理论，根据光学元件材料折射率对成像光束波像差进行修正，将像差理论扩展到平面对称折射光学系统，使得该理论可应用于光束斜入射的折反射组合光学系统的像差计算；指出在折反射组合光学系统中考虑物像方空间折射率的关系，以及入射角方向的定义，使得波像差的计算表达式保持统一；应用扩展后的像差理论对折反射椭球镜面形检测光学系统进行像差分析计算，并与Zemax光线追迹结果进行对比，验证波像差理论的有效性。该像差理论为光束斜入射的折反射组合光学系统的设计、像质评价及优化提供了有效的分析手段。

调制传递函数（modulation transfer function，MTF）曲线可以客观地评价光学系统的成像性能。基于平面对称光学系统的波像差理论，给出了Kirkpatrick-Baez（KB）显微镜光学系统主要像差的波像差计算表达式，采用自相关法，通过Gauss-Legendre数值积分求解并绘制了KB系统的MTF曲线，且与光学分析软件的MTF曲线进行对比。结果表明：应用波像差理论计算调制传递函数不仅可以定量直观地分析KB系统的成像性能，而且能进一步解析光学系统的单项像差分布情况，提供更具针对性的系统优化方案。

变焦鱼眼镜头系统具有更大的视场角、更大的相对孔径、更大的反远比的特点。文中的设计过程中，首先,利用平面对称光学系统理论设计了固定焦距的鱼眼镜头初始结构;然后,把此鱼眼镜头的组元划分为前变焦组和后变焦组两个变焦组，并利用了高斯光学理论对整个变焦镜头进行了变焦优化;最后，得到一成像质量良好的变焦鱼眼镜头。该镜头最短焦距8 mm时的视场角为180°，最长焦距16 mm时的视场角为90°，其相对孔径为1/3.5。设计结果表明：该变焦鱼眼镜头系统的调制传递函数（MTF）数值在不同的焦距长度、空间频率为50 lp/mm时均不低于0.45，该变焦鱼眼镜头物镜比其他变焦鱼眼镜头具有更好的成像质量。