阵列微结构光学元件广泛用于各种光束匀化场合，而常规的加工方法难以满足大矢高凸柱面阵列的精度要求。本文采用超精密车削成型法，分析了影响金刚石车削的主要因素，设计了顺序搜索法和二分搜索法寻找车削轨迹，并对比了两种方法的优缺点，结合Matlab软件用二分搜索法成功找到车削轨迹及数控程序，并在超精密车床上进行了车削实验，得到了表面轮廓误差在135 nm的大矢高阵列微结构。证明了二分搜索法能够准确获得车削轨迹，并且此法可同时适用于球面轮廓和非球面轮廓，具有重要的工程应用价值。

为了实现NA1.35投影光刻光学系统高质量成像，在设计过程中除了控制波像差，还需进一步优化光学系统的偏振像差。利用Jones光瞳和物理光瞳表达了NA1.35投影光刻光学系统的偏振像差，并用二向衰减量与延迟量分析了光学系统偏振像差的大小；根据光线入射到不同光学面上最大入射角度的不同，为每个光学面设计相应的膜系以优化光学系统的偏振像差。相比于采用常规膜系，膜系优化后NA1.35投影光刻光学系统的二向衰减量和延迟量分别减小到了0.021 8、0.057 2 rad，即减小了光学系统的偏振像差。利用Prolith光刻仿真软件，分别对采用常规膜系和优化膜系的NA1.35投影光刻光学系统进行曝光性能仿真，结果显示：膜系优化后光学系统的成像对比度提高了4.4%，证明了NA1.35投影光刻光学系统偏振像差优化方法的有效性。

复杂环境下的目标跟踪是一个具有较多难点的任务。例如杂波干扰、 严重遮挡、 相似背景、 运动不连续、 光照变化等, 都会给跟踪带来很大困难。针对上述问题,利用目标与背景的区分度, 选取目标中独特特征建立模板, 并对候选目标过滤背景特征, 从而提高了目标在复杂背景下的匹配精度。同时为了解决Mean Shift算法搜索到的目标位置与真正目标存在偏差的问题,以目标中高区分度的像素点为种子点, 进行区域生长, 来获得准确的目标位置, 并以此确定目标框大小。实验结果表明, 文中算法在复杂环境下具有较好的跟踪精度和实时性能。

设计了适用于制冷型320×256 中波红外凝视焦平面阵列探测器和320×256长波红外凝视焦平面阵列探测器的共孔径消热差折反射式红外双波段光学系统。该系统在中波3.7~4.8 μm, 长波7.7~11.7 μm, 环境温度10~40 ℃下工作, 其焦距为292 mm, 视场角为1.56°×1.875°, F/＃为1.93, 满足100％冷光阑效率。设计的系统共用主镜、次镜和准直镜组, 利用分光镜实现中波红外、长波红外光谱分光, 后接各自的校正镜组校正剩余像差。给出了设计原理、设计过程和工程设计时需考虑的一些因素, 通过选择合适的光学材料、机械材料和分配光焦度, 实现了两路系统在10~40 ℃环境温度下具有良好的成像性能。该系统成像质量良好、可加工性好、装配难度小、工程可实施性强。

综述了当前衍射光学元件的加工制作工艺方法, 包括光刻法、薄膜沉积法、直写法、金刚石车削法、准分子激光加工法、灰阶掩模法和复制法。详细说明了这几种方法加工衍射光学元件的工艺过程, 并分析了各种加工方法的优缺点。介绍了衍射光学元件在各种光谱镜头中的应用, 分别给出了衍射面在可见光波段、红外波段和紫外波段系统中的具体设计实例。最后得出结论, 说明衍射光学元件可以增加设计自由度, 简化系统结构, 减小体积, 减轻质量, 改善像差, 提高系统成像质量。

大视场、轻量化、小型化成像系统是目前各类光电探测设备的发展方向，提出了一种采用 4路小口径红外镜头拼接实现全景成像的红外夜视仪设计方案，给出了该全景头盔式红外夜视仪的实现原理。系统由红外物镜系统、图像拼接处理器、 OLED微显示器、红外目镜系统组成，确定了全景头盔式红外夜视仪的设计参数，并给出了一个视场可达 150°的超大视场红外夜视仪成像系统设计实例。

通过 PROLITH光刻仿真软件研究了非理想照明光瞳对光刻成像质量的影响以及图形位置偏移量对光瞳偏心的敏感度随数值孔径 NA和相干因子 σ的变化规律。仿真结果表明: 在无像差的理想光学系统中, 光瞳偏心主要影响图形的位置偏移量, 图形的位置偏移量与离焦量成线性关系, 直线的斜率随着偏心量的增大而增大。光瞳偏心对 H-V bias和焦深(DOF)的影响较小。光瞳偏心和极不平衡性两者对图形位置偏移量的综合影响是这两者单独引起的图形位置偏移量的叠加。

为了获得稳定的激光光束，需要对其随机漂移进行校正。以光束传递系统中快速反射镜校正脉冲激光器自身指向漂移的过程为例，采用一种基于移动平均值校正原理的算法，对加载地面抖动前后的校正效果进行了仿真模拟。仿真结果显示，该算法可以使指向漂移经过长距离传输后引入的位置偏移显著降低；校正后的移动平均值相对于校正前的有较大降幅，最优处约降至原来的n-1/2(n为一个窗口内的脉冲数)；校正后的移动标准偏差值也明显下降。结果表明，该算法的关键在于提出合适的补偿量，具有实用性，可以实现对激光光束指向漂移的闭环实时校正。

本文采用衍射角谱理论对衍射光学元件的光场分布进行数字计算。该理论包括两种表达方式：既可用含有传递函数的等式表达，也可用含有点扩散函数的等式表达。这两种计算方法在本质上是一致的。然而，在 MATLAB计算过程中，它们又具有不同的适用条件，通过分析，将它们分为近场算法和远场算法，并且展示了它们的计算实例。结果表明，在标量衍射理论成立的条件下，不改变衍射元件抽样间隔和抽样点数，利用这两种算法能够快速、准确计算不同位置处的衍射图样。该方法对衍射光学元件像面光场分布的精确计算具有重要的意义。

介绍了温度变化对红外光学系统的影响和红外光学系统无热化设计的常用方法。应用CODE-V光学设计软件设计了一个工作于中红外光谱波段的折射式全球面镜无热化光学系统，采用锗、硅和硒化锌3种光学材料，系统镜间材料为铝合金。设计结果表明：在-40℃～+65℃温度范围内，光学系统的成像质量接近衍射极限，且光学系统的出瞳与光栏重合，具有结构简单、体积小、质量轻、成本低等优点，可应用于空间红外光学系统。