设计了基于振幅型棋盘光栅的二维剪切干涉仪, 用于测量大数值孔径(NA)物镜的波像差。研究了棋盘光栅剪切干涉仪的基本原理, 分析了大数值孔径物镜波像差测量时涉及的几个特殊问题。首先, 根据棋盘光栅的远场衍射函数分析了棋盘光栅的衍射效率和衍射级分布, 给出了剪切干涉图数据的处理方法。接着, 根据球面光瞳坐标与平面探测器坐标的投影关系, 分析了光瞳坐标畸变的影响; 采用几何光线追迹方法, 分析了光栅方程非线性对系统误差的影响。最后, 推导了物镜光瞳边缘的相对照度与数值孔径的关系。试验结果表明：采用相同光瞳坐标, NA为0.6的显微物镜的波像差测量重复性（3σ）可达到3.7 mλ。对大数值孔径物镜测量过程中涉及的特殊问题进行了探讨, 结果提示：测量大数值孔径物镜的波像差时, 需要考虑光瞳坐标畸变、光栅方程引入的系统误差、光瞳边缘照度衰减的影响等。

为了分析一维相移剪切干涉仪中调制度的变化规律和影响。研究了一维光栅相移剪切干涉仪的基本原理，推导了干涉光强公式和光强调制度函数。通过将泽尼克单项像差代入到调制度函数因子，分析了泽尼克像差、剪切比对调制度函数的影响，发现测量范围主要受到高级球差和大剪切比限制。设计了一维相移剪切干涉仪的可见光实验装置，在632.8 nm 波长分别使用周期为9 μm、18 μm 一维光栅测量了一个NA=0.25 显微物镜的波像差，实验结果表明：光栅周期为18 μm 时可以正确测量，光栅周期为9 μm 时，调制度存在反转点，像差超出测量范围，并验证调制度函数分析结果的正确性。

从系统焦点不引出主镜背后的格里高利系统出发,偏瞳后在其一次像面处加球面反射场镜来校正畸变等像差,并采纳了折轴三反射系统的结构优点,设计出一种新型无遮拦三反射光学系统。分析了该种系统的设计步骤,设计了一个焦距为900 mm,视场为0.8°×0.8°,F数为9的光学系统,总长为330 mm,成像质量接近衍射极限,具有较小尺寸、较好的杂散光抑制能力等特点。该系统与其他三反射光学系统相比,最大的优点是非球面反射镜只用了两块,降低了成本和加工装调难度。

结合反射系统中双反射和三反射各自的优缺点，提出一种特殊的两镜三反光学系统，给出其初始结构的确定方法。对其结构优化过程中，在系统次镜后加平面反射镜，将系统进行折轴处理，然后在折轴反射镜后加透镜来校正剩余像差。该系统初始结构中两反射镜组成的是一个无焦系统，在主镜发生2次反射后成像。分析该初始系统的缺陷，对补偿该缺陷并使其成像质量达到衍射极限的后续补偿系统进行了设计。应用该方法设计了焦距f=5000mm，F数均为5，全视场角分别为0.4°和1°的2个系统，从像质评价结果可以看出，系统成像质量接近衍射极限，具有长焦距、小尺寸等特点。

对轴向温度梯度、径向温度梯度对大口径光学窗口面型的影响加以介绍，并运用ansys软件分析大口径光学窗口在两边存在温度差、压力差下的形变.用Zernike系数将ansys软件分析结果与Zemax软件连接，在Zemax软件中仿真光学窗口在15～27°温度范围内6种工况下的形变对平行光管像质的影响.

对共轴卡塞格伦(Cassegrain)系统和偏瞳Cassegrain系统进行对比分析并指出其缺点.偏瞳Cassegrain系统的视场一般比较小，为增大视场、提高像质，提出将偏瞳两镜系统的次镜偏心和倾斜的方法，并用矢量像差理论简单分析了含有偏心与倾斜元件的系统的初级像差.结合实例分别设计出2种形式的光学系统.对比设计结果可以看出：该方法可以增大系统视场，提高像质，得到比较好的设计结果.