引力波的直接观测已开启引力波天文学的新篇章, 爱因斯坦的百年预言终获证实。空间引力波探测器使得探测01 mHz~1 Hz频段丰富的引力波源成为可能, 与地面引力波探测器互为补充, 才可实现更加宽广波段的引力波探测, 揭开宇宙早期的更多秘密。空间激光干涉引力波探测采用外差干涉测量技术, 测量间距百万公里的两自由悬浮测试质量间10 pm量级的变化量。望远镜是激光干涉测量系统的重要组成部分, 1 pm的光程稳定性及苛刻的杂散光要求, 不同于传统的几何成像望远镜。本文根据空间太极计划任务需求, 对望远镜的功能及技术要求进行了分析, 并完成了原理样机的初步方案设计, 针对百万公里远场波前分布, 分析了望远镜系统的敏感性, 同时完成了在轨光机热集成仿真, 为后面原理样机的研制奠定了技术基础。

针对离轴三反光学系统初始结构求解复杂、视场宽度小的问题, 提出了利用光学传递矩阵求解三反系统初始结构的计算方法, 推导了三反系统焦距和后截距的表达式, 求解了光阑位于次镜的三反系统初始结构。采用引入高次非球面以增加系统设计自由度的技术路线, 基于ZEMAX光学设计软件, 通过对同轴初始结构进行离轴优化, 得到了一个矩形视场17°×2°, 焦距1 440 mm, F数4.8的离轴三反光学系统。该系统三个反射面均为高次非球面, 可同时满足宽视场角和高分辨率的要求, 在空间频率50 lp/mm处, 调制传递函数大于0.6, 接近衍射极限。结果表明: 该系统搭载线阵/面阵时间延迟积分电荷耦合元件(TDI-CCD)用于推扫/多通道式空间对地成像时, 可有效扩大空间对地成像系统的地面覆盖范围, 提高信息获取效率。

：激光的强相干性造成了激光投影显示中出现大量干涉条纹和散斑，为了消除干涉条纹和散斑对图像质量的影响，采用旋转新型散射体(Engineered DiffuserTM)的方法在一定积分时间内获得叠加的清晰图像。首先，介绍了激光投影显示中散斑的成因及采用时间平均抑制散斑的理论依据。接着，分析了传统散射体毛玻璃和Engineered DiffuserTM在结构及功能上的区别。最后，建立了旋转新型散射体抑制散斑的激光投影显示实验装置，对比验证了旋转新型散射体抑制散斑的效果。实验结果表明：散斑对比度降低到3.08%，图像质量良好，无明显干涉条纹。该方法满足商用激光投影显示体积小、简单易行等要求。

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.

针对大屏幕投影显示对成像物镜提出的超短焦、大视场角、超薄化、大相对孔径以及高清晰度等要求，设计了一种新型折反射式超薄投影成像系统。采用TI公司的0.65″数字微反射镜片(DMD)作为空间光调制器，利用非球面反射镜校正畸变并缩短投影距离，然后通过一个折叠反射镜对光路进一步转折来实现超薄化投影显示。系统由5片透射镜片和1片非球面反射镜组成，焦距为2.8 mm，F/#为3.5，最小视场角为55°，最大视场角为78.5°，在投影距离为120 mm时画面尺寸显示为65.2″。设计结果表明：在像面的Nyquist频率处，95%以上视场的MTF＞0.6，最大畸变量为0.8TV%，一个像元尺寸内能量集中度在90%以上。为了进一步验证折反射式超薄投影镜头的性能，加工并组装了原理样机。实验结果表明其图像显示效果良好，能够满足超薄化、低成本、小型批量化生产等设计要求。

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。

设计了一种空间交会对接探测器光学系统。系统根据超焦距原理增大光学景深，通过像方远心光学结构，解决了变化物距下标志灯信号光在CCD成像面上成像质心不稳定的问题，应用改进的库克物镜结构有效地校正了对成像质心位置影响较大的垂轴像差。光学系统光学总长为36 mm，系统采用6片透镜元件，全部为球面结构，均为普通商用玻璃，避免了特种玻璃的使用。在800~880 nm波段，0.5~130 m物距下，系统的光学绝对畸变设计值优于±1 μm，视场角探测设计精度近似10″。设计的系统探测精度高，制造成本低，结构紧凑，适用于高精度空间飞行器交会对接领域。

从三级像差理论出发，推导了光阑设于次镜镜框的共轴四反射镜光学系统的单色像差系数的表达式，并给出了四反射镜光学系统的基本设计流程图。在此基础上，对光学系统进行视场离轴，设计出了视场角为20°×0.6°，焦距为1343 mm的视场离轴四反射镜光学系统。该光学系统无中心遮拦，结构紧凑，成像质量接近衍射极限，适用于空间遥感。