激光直写是一种高效、可规模化制备柔性电子器件的技术。本文采用激光直写技术在具有良好介电性能的聚酰亚胺薄膜上制备了一种可用于应变传感和湿度传感的柔性环形天线传感器。利用激光碳化聚酰亚胺获得的材料表面呈现多孔及堆叠片层碳结构，当施加于天线上的应变和环境湿度改变时，天线的谐振频率会发生规律变化，进而实现应变和湿度感知。制备的环形天线传感器的应变响应灵敏度为?8.943 kHz/με，湿度响应灵敏度为?6.45 MHz/RH%。采用激光直写技术制备的天线传感器可以广泛应用于结构健康监测等领域。

针对棱镜型成像光谱仪结构复杂、 具有严重的色散不均匀性, 进行了共光轴线色散棱镜式宽谱段成像光谱仪研究。 利用棱镜的色散公式建立了对称型三棱镜组合分光结构的数学模型, 获得了满足直视结构的棱镜组合, 并在此基础上分析影响棱镜组色散线性因素： 棱镜材料的折射率和色散率对棱镜组线色散影响比较大, 入射角度对其影响比较小, 并提出改善色散线性的方法, 获得了满足线色散要求的棱镜组合的折射率条件, 从而为共光轴结构的线色散棱镜式成像光谱仪初始结构的选择提供了重要理论依据。 在工作波段为400~1 000 nm、 中心波长偏向角为0°、 最大色散角为0.6°、 光谱仪系统数值孔径NA为0.18、 光谱分辨率为5 nm条件下, 实现共光轴三棱镜分光系统的线色散设计, 最后利用ZEMAX进行了模拟分析表明, 理论计算结果与实际仿真结果基本相符。

为对比分析不同光栅常数下Offner光栅和Dyson光栅光谱仪的性能差异, 推导了两种光谱仪结构的衍射角公式, 获得其衍射特点, 并在F数为2.5, 工作波段为8~12 μm, 光谱分辨率15.6 nm, 光栅常数分别为100 μm、50 μm下, 借助ZEMAX软件对这两种结构进行了优化设计。结果表明: 较大光栅常数下, 两者都能理想成像, Offner光谱仪体积约为Dyson的7倍, 质量约为Dyson的1/13; 较小光栅常数下, Dyson光谱仪仍可理想成像, 而Offner必须加入二次非球面镜并进行离轴, 才能满足系统对像质及光谱分辨率的要求, 此时, Offner光谱仪体积约为Dyson的7倍, 重量约为Dyson的1/11。设计结果表明, 两种同心结构在加工难易度、体积、重量方面各有优劣, 在光谱仪选型工作中, 可根据具体情况进行取舍。

为了解决传统成像光谱仪难以实现光谱和图像信息实时获取的问题，设计一款可见/近红外宽谱段视频型成像光谱仪系统。系统利用多狭缝分光成像技术，将目标光谱图像进行区域划分，代替传统的推帚型成像光谱仪，实现光谱维的大视场成像。采用低色散光学玻璃和双胶合透镜实现宽谱段光学系统的像差校正。前置望远物镜系统采用复杂的双高斯结构，实现小畸变设计和不同视场狭缝处能量的均匀分布。为了同时获取高空间分辨率的实时视频监控和高光谱分辨率，利用分光棱镜将前置望远物镜的像分为两路，一路直接由高分辨率全色相机接收，另一路进入分光系统由灰度相机接收。采用三块棱镜作为分光元件，通过优化材料组合和实际光线控制，获得了萤石-熔石英-萤石理想棱镜组合，实现了光路同轴性和良好色散线性度。设计结果为光学系统的光谱范围为400~1000 nm，F 数为3.5，前置望远物镜奈奎斯特频率处设计调制传递函数(MTF)大于0.5，畸变小于0.1%，像面照度均匀性高于98%。整个系统奈奎斯特频率处设计MTF大于0.44，平均光谱分辨率为10 nm。

针对传统长波红外成像光谱仪难以同时实现弱遥感信号下高信噪比和小型化的现状，在数值孔径NA为0.19和0.33，工作波段为8~12 μm下，设计并对比分析了两种具有同心结构的Offner凸面光栅和Dyson凹面光栅光谱仪，借助Zemax软件，获得了它们的最优解。当NA1=0.19时，两者均能理想成像，Offner结构大小为245 mm×213 mm×111 mm，调制传递函数(MTF)大于0.38，光谱分辨率为35 nm，谱线弯曲小于4.8% , 色畸变小于12.8%；Dyson结构大小为308 mm×61 mm×49 mm，MTF大于0.48，光谱分辨率为12 nm，谱线弯曲小于0.047%，色畸变小于0.138%。当NA2=0.33时，Offner结构无法理想成像，Dyson结构仍有很好的像质，大小为317 mm×88 mm×88 mm，MTF大于0.71，光谱分辨率为1 nm，谱线弯曲小于0.015% ,色畸变小于0.028%。设计结果表明，长波红外波段中，相对于Offner结构，Dyson结构具有数值孔径大、体积小、光谱分辨率和传递函数高以及谱线弯曲和色畸变小的优点。

红外连续变焦光学系统具有很多优势，介绍了一种可以实现高变焦比的设计方法.据此设计了一个系统，其由八片透镜组成，工作波段为3.7~4.8μm,可实现10~450mm连续变焦.系统在全焦距范围内奈奎斯特频率处的MTF值均大于0.3，系统F数为4，且满足冷光阑效率100%的要求.

为了实现遥感目标的长波红外高光谱成像, 有效消除平面光栅产生的谱线弯曲, 设计了离轴透镜消谱线弯曲长波红外平面光栅成像光谱仪。分别计算了平面光栅和离轴透镜产生的谱线弯曲, 分析了谱线弯曲随相关参量的变化关系, 并基于此设计了消谱线弯曲的初始结构。通过优化设计得到的光学系统的通光孔径为100 mm, F数为2, 光谱分辨率为20 nm, 空间分辨率为150 μrad, 冷光阑效率为100%, 成像质量接近衍射极限, 系统谱线弯曲由原有的180 μm以上变为14.3 μm以内。该项设计获得了具有普适性的消谱线弯曲公式, 证明了离轴透镜具备校正谱线弯曲的特殊功能。最后的设计结果表明, 在满足系统成像质量要求且不增加系统复杂度的前提下, 采用离轴透镜的平面光栅光谱仪的系统谱线弯曲小于探测器像元尺寸的1/2, 满足使用要求。

为了满足地平仪系统轻小、廉价、性能可靠的要求，设计了折/衍混合无热化凝视型红外地平仪系统。利用衍射元件特殊的像差特性和热差特性，采用折/衍混合广角f-θ镜头结构对地平仪系统进行大视场像差、色差和热差校正，采用反远距结构，保证系统具有足够的后工作距。设计结果表明，在温度为20 ℃时，140°广角f-θ镜头的线性特性小于0.5%；在-20 ℃~40 ℃温度变化范围内，空间频率20 lp/mm处光学系统的调制传递函数均大于0.52，光学系统的波像差均小于λ/4，系统设计接近衍射极限满足成像要求，优化设计后光学系统的后工作距离为15 mm，满足红外光学系统的装配需求。

针对便携式拉曼光谱仪的小型化、高分辨率需求及弱信号能量探测问题，设计了基于高分辨率光栅光谱仪和物方大数值孔径光学探头的便携式拉曼光谱仪的光学系统，完成了样机性能测试。利用Czerny-Turner (C-T)结构光栅光谱仪的像差特性，在实现消彗差的条件下，建立了像面大小与光栅光谱仪系统参数的关系，保证了系统的像面大小与线阵CCD尺寸之间的完善匹配，完成了新型消彗差C-T结构光栅光谱仪系统。通过采用厚双胶合透镜形式的摄远光学结构，完成了物方数值孔径为0.33，并与光栅光谱仪入射光瞳完善匹配的紧凑型光学探头系统。实现了光谱分辨率优于0.6 nm、拉曼光谱范围为781~1014 nm的便携式拉曼光谱仪的优化设计和样机研制，样机尺寸为243 mm×25 mm×71 mm。通过样机实验成功获得了CCL4的5个拉曼光谱特征峰，验证了整机拉曼光谱仪系统光学设计的可行性和合理性。

为标定和校准头盔瞄准具检测设备，提出一种新的光学结构，并设计了一款标准头盔显示系统(HMD)。该系统采用球面共轴设计，在有限体积的限制下满足了低畸变、高清晰的光学指标要求。利用对称性光学设计原则分步设计，设计的标准HMD系统出瞳清晰，可保证系统各种光学像差的综合校正。针对127 cm(1/2 in)微显示器设计了视场为30°、出瞳距离为75 mm的标准HMD光学系统，各视场在分辨率30 lp/mm处的MTF值均大于03，系统畸变小于09%。设计的标准HMD光学系统形式简单、结构紧凑，光学性能优良，可作为头盔瞄准具检测设备标准件。