为了准确获取简单光学系统的点扩散函数(PSF), 提升图像复原质量, 本文提出了一种基于PSF测量的宽光谱PSF估计方法。首先, 测量了光学系统的窄带PSF, 并结合图像匹配算法, 标定了实际光学系统中的探测器位置和光轴中心偏移。然后, 模拟实际光学系统各波长、各视场的PSF, 再结合目标反射光谱和探测器光谱敏感信息计算实际目标的宽光谱PSF。实验结果表明: 本文提出的PSF估计方法明显优于窄带PSF估计和盲估计方法, 复原图片质量和稳定性均有明显提升, 能够准确估计实际光学成像系统的PSF。

为了实现高像质相机低成本、小型化的需求，本文提出了一种大视场简单光学系统的光学-算法协同设计方法，并通过图像复原算法校正简单光学系统的残余像差。首先，针对大视场光学系统，对空间变化的交叉通道去卷积算法进行改进，加入倍率色差校正，使图像复原算法可显著去除色差的影响。然后，在光学设计过程中，放开色差的约束，并专注优化绿色通道的像质，使其成像锐利，在后期交叉通道去卷积算法中有助于红、蓝两通道图像复原。利用该方法设计了一个由两片同种材料的镜片构成的大视场简单光学系统。系统焦距为50 mm，全视场为46°，F数为56，探测器分辨率为1 000万像素。实验结果表明: 本文设计的两片镜、大视场简单光学系统的成像质量可媲美三片式库克镜头，明显优于纯图像复原的结果。本文方法实现了大视场简单光学系统的设计，并能够通过系统最终获得高分辨率、高像质图像。

为了克服传统三反射系统设计中初始结构求解复杂、使用非球面时收敛缓慢的问题, 提出了基于Wassermann-Wolf微分方程的离轴三反光学系统设计方法。根据反射定律和正弦条件, 推导了一组用于求解同轴三反初始结构的Wassermann-Wolf微分方程。通过多项式拟合Wassermann-Wolf曲面, 获得了像质良好的同轴三反初始结构。实现了长焦距(1200 mm)、大视场(18°×4°)、大相对孔径(F数为4)的离轴三反光学系统设计。系统各个视场的调制传递函数在50 lp/mm处均大于0.5。结果表明, Wassermann-Wolf微分方程设计方法简单有效、收敛快, 可以为三反射光学系统提供很好的设计起点。此外, 系统的主镜为二次曲面, 次镜和三镜为非球面, 3个反射镜均无偏心和倾斜, 有效降低了制造成本和装调难度。

针对45 nm节点投影光刻物镜的应用, 开展了工作波长为193 nm的深紫外浸没式高数值孔径(NA)投影光刻物镜的研究和研制。设计了数值孔径(NA)为1.30的离轴三反射镜投影光刻物镜和NA为1.35的同轴两反射镜投影光刻物镜, 并对两个设计方案的优劣进行对比分析, 选择了同轴式结构作为最终的设计方案。分析了系统在不同NA情况下可变光阑与其远心度之间的关系, 提出了用双可变曲面光阑的设计方案来优化系统的远心度。实验表明, 应用本文设计方案, 光刻物镜的波像差小于1 nm, 畸变小于1 nm; 新型的可变光阑使系统NA在0.85~1.35变化时的最大远心度由5.83~17.57 mrad降低至0.26~3.21 mrad。本文提出的设计方案为45 nm节点高数值孔径投影光刻物镜的研制提供了有益的理论依据和指导。

考虑高数值孔径(NA)投影光刻物镜视场较大、波像差分布不均匀, 本文提出了一种自动优化设计方法来降低设计过程中出现的全视场最大波像差。该方法通过将一个自动调节采样视场权重的循环程序附加在光刻物镜的局部优化程序之外来自动平衡全视场的波像差, 进而降低全视场的最大波像差。设计实例证明, 运用该方法后光刻物镜全视场波像差的均匀性显著提高, 最大波像差降低为原来的63%。该方法在光学设计软件Code V中有良好的应用效果, 应用该方法不但能节省光刻物镜设计者的时间, 而且会降低设计对设计者设计经验的依赖性。同时, 该方法也可推广应用在其他对成像质量要求较高的光学系统设计中。

热像差是导致光刻物镜工作状态下像质劣化的主要原因之一。针对同轴两反式高数值孔径(NA)投影光刻物镜的结构特点，提出了将元件位移法和元件分区加热法相结合，共同补偿热像差的方案。元件位移法通过改变元件的间隔、偏心或倾斜量来调节像质；元件分区加热法利用光学材料折射率随温度变化的特点，通过控制元件的温度分布产生可控波前。采用上述补偿方案对偶极照明模式下的热像差进行补偿，波像差从129.78 nm 减小至1.69 nm，畸变从12.24 nm 减小至1.31 nm，将物镜像质补偿至接近设计水平。

为了同时实现成像系统的大视场、长焦距和高分辨率, 设计了基于同心球透镜的四镜头探测器阵列拼接成像系统。首先, 阐述了四镜头探测器阵列拼接方案的原理; 介绍了同心球透镜的结构特点, 阐述了其成像优点。然后, 完成了满足实际拼接应用的同心球广角、长焦成像系统（拼接子系统）的光学设计。最后, 给出了拼接子系统的像质评价并对其进行公差分析。结果表明: 拼接后的系统可实现100 mm焦距和120°视场成像。该系统解决了大视场和长焦距之间的矛盾, 可实现超高像素成像, 相对于传统光电成像系统具有巨大的优势。

基于三反射镜的三级相差理论，通过自定义优化函数，并使用遗传算法寻找合适的三反射镜光学系统的初始结构参数，利用光学设计软件ZEMAX 对初始结构进一步离轴优化，设计出了视场角为18°×0.6°，焦距为1700 mm，入瞳直径为200 m 的像方远心离轴三反射镜光学系统。该光学系统无中心遮拦，成像质量接近衍射极限，适用于空间遥感领域。