针对基因测序、半导体检测、工业显微镜及生命医疗等领域对显微物镜日益增长的技术需求，成像谱段向着宽谱段深紫外（DUV）方向发展，目前非浸液式显微物镜存在数值孔径（NA）低、视场小、宽谱段内色差严重等问题。基于此，提出一款折反射式物镜。所提折反射式物镜具有宽谱段、高数值孔径、消色差等优点，根据折反射式结构的消色差光学特性，镜片只采用一种材料就可以校正色差。系统由12片镜片组成，数值孔径为0.91，成像谱段为深紫外到可见光（275~600 nm），最大视场为0.3 mm，系统全视场全谱段波像差小于0.033λ，消除了二级光谱，成像质量满足使用要求。

为了解决离轴三反光学系统装调过程中由于连接、紧固、温度变化等产生的应力导致反射镜面形和系统像质恶化的问题，提出了无应力结构设计和装调方法。采用内外框结合的方法设计反射镜组件，同时设置柔性变形环节，增加应力源与镜面间传递距离来削弱应力对反射镜面形的影响。系统框架采用非固定的定位方式，使用3个高精度钢球和相应的锥形孔、V型槽和平面底座约束框架的六自由度，通过两个基准立方镜和莱卡经纬仪监视框架的微位移，数显千分表监视反射镜六维调整架的移动和复位。经初装调和计算机辅助精装调后，系统全视场平均波像差均方根（RMS）值达到0.068λ；修垫、连接后为0.070λ，在奈奎斯特频率处的全视场平均调制传递函数（MTF）为0.720，均满足设计指标，得到的结果证明了装调方法的可行性。

针对硫系玻璃材料热稳定性高、光谱透射率好、适合模压成型等特点，提出一种采用硫系玻璃的长波红外光学系统设计方法。理论分析了被动式光学补偿和机械补偿的设计过程。根据被动光学补偿原理求解系统初始光焦度分配，借助被动机械补偿方法设计了一种大相对孔径红外消热差光机系统。系统焦距为90 mm，F 数为0.9，适配长波(8~14 μm)非制冷红外焦平面探测器，其像素为640 pixel×512 pixel，像素大小为17 μm。在-40 ℃~50 ℃温度范围内工作时，系统各视场调制传递函数(MTF)均接近衍射极限。设计结果表明，利用硫系玻璃相互匹配并结合机械补偿方法可以实现系统被动无热化，能够得到性价比较高的红外成像光学系统。

基于星光折射间接敏感地平自主导航星敏感器的工作原理，详细分析了星光折射星敏感器的探测参数设计，包括探测谱段、恒星观测视场、探测概率及阈值星等、恒星探测能力等。星光折射星敏感器的观测视场分为折射星与非折射星两部分，对折射星的观测视场随轨道高度增加而减小；受限于大气光谱吸收，观测折射星的谱段宜选择600~900 nm，探测信噪比随大气折射高度降低而减小。采用高灵敏度的背薄电荷耦合器件(CCD)以及精度达到微米级的无热化光学系统匹配设计。结果表明，光学系统像质良好，单一星敏感器单星测量精度达到1″，满足目前航天自主导航对姿态及位置测量精度的需求。

采用双层Kinoform型衍射光学元件，设计了一种能够同时在红外中波(MWIR)3~5 μm和长波(LWIR)8~14 μm波段内工作的双波段光学系统。系统仅使用两种材料（ZnS和ZnSe）和四片透镜，实现了焦距100 mm、F数1.2的长焦距、大相对孔径光学系统设计。通过数值仿真运算，合理地选择双层衍射光学元件的两种基底材料及设计波长，衍射光学元件的带宽积分衍射效率超过96%。系统像差得到了很好的校正，成像质量良好，中波所有视场调制传递函数(MTF)(14.3 lp/mm)大于0.7，长波大于0.65，且接近衍射极限，同时分析了衍射效率对系统MTF的影响。最后利用Matlab软件绘制了衍射表面微结构仿真图，两个衍射面的最大闪耀深度分别为179.3 μm和159.4 μm，最小特征尺寸为1.41 mm，完全满足目前金刚石车削工艺的加工要求。

采用透射二次成像光学系统结构形式，实现了远射比为1，F数为167，变倍比为46的红外双视场光学系统设计。采用光学元件切换变倍方式，配合电磁阀切换机构实现了60 ms的变倍速率; 采用光学被动补偿方式，通过适当的光学和结构材料匹配，实现了-40~+50 ℃无热化设计。设计结果表明: 光学系统在不同温度下各视场调制传递函数在特征频率为20 lp/mm时接近衍射极限，空间排布紧凑，视场切换速度快，该双视场红外光学系统满足应用需求。

为满足天文望远系统大F数、长焦距、轻小型化、高成像质量、高消杂光比等要求，采用库克离轴三反消像散（TMA）光学结构形式，设计了参数为焦距f′=24 m，F数16，视场1.6°×1°的离轴望远系统。设计了系统的外遮光罩及其挡光环，并对系统内部的杂光陷阱结构进行优化。利用杂光分析软件对系统的点源透射率（PST）进行仿真计算，结合正向追迹和反向追迹两种方法寻找关键面与关键路径，反复迭代优化改进相应光机结构。设计及仿真结果表明，系统各视场光学传递函数均接近衍射极限，视场外规避角40°时，PST小于10-11，满足空间天文望远系统对成像质量和杂光抑制的要求。

随着非制冷红外探测器技术的快速发展，非制冷红外光学系统得到了广泛应用。为满足机载或弹载非制冷红外光学系统结构尺寸紧凑、相对孔径大、温度适应性强、杂散光抑制能力高的要求，采用折反射式二次成像光学系统结构形式，实现了远射比0.55，F数0.8的光学系统设计，同时采用光学被动补偿方式，通过适当的光学和结构材料匹配实现了-40 ℃~50 ℃无热化设计，并配合一次像面处视场光阑保证光学系统具有较高的杂散光抑制能力。给出了完整的光学系统设计，设计结果表明：光学系统在不同温度下各视场调制传递函数接近衍射极限，空间排布紧凑。通过高低温成像实验，验证了该非制冷红外光学系统满足机载或弹载应用的环境要求。

椭球形窗口的检测技术严重阻碍其成功应用。首先简要介绍了目前普遍使用的非球面检测技术，并针对椭球形窗口大倾斜、大偏心、深非球面的特点，基于零位补偿检测法原理，设计了一种适合椭球形窗口检测的改进型Offner零位补偿检测系统。检测系统包括补偿镜、场镜和标准球面参考镜，检测系统工作原理为：干涉仪出射平行光线通过补偿镜及场镜产生修正波前，通过椭球形窗口照射到标准球面反射镜，并按原光路返回与参考光线干涉，其干涉结果显示出椭球形窗口的面形偏差。实现了对椭球形窗口的高精度全口径一次检测并给出了完整的设计结果。检测了长径比为1.0，口径为110 mm的椭球形窗口，其波前残余波像差均方根值为0.0052λ。设计结果为实际使用提供了一定的参考。

为了提高全息光学系统的光学效率，提出用分光棱镜和光栅对图像进行出瞳扩展，并通过双光栅设计改善光学系统的成像质量。通过光学系统建模，分析了光学系统成像质量并进行仿真。光学系统的视场为20°×20°，出瞳大小为20 mm×20 mm，剩余波像差为0.075λ，畸变小于0.01%，调制传递函数(MTF)接近衍射限。对于零视场光学系统的出瞳具有完全均匀辐照度分布，光能利用率约5%~6%。而对于20°视场系统出瞳辐照度均匀性略有下降，光能利用率为3%~4%。结果表明，该全息波导系统显著提高了全息波导头盔显示系统的光能利用率。并且棱镜波导系统具有高度可行性，可以应用于新一代头盔显示技术。