目前已有多种红外系统作用距离的方程，但都有其各自的适用性和局限性。通过对已有的基于对比度的作用距离方程进行分析，发现其没有考虑成像弥散和路径辐射的影响，并且只能针对单一波长的目标。综合考虑成像弥散和路径辐射对红外系统作用距离的影响，对原有基于对比度的作用距离方程进行了修正，得到基于对比度的红外系统对点源目标的作用距离方程。该方法的预测结果和外场的实验数据比较，具有较好的一致性，证明了该方法的有效性。

为了避免机载光电吊舱中共口径光学系统内部由于道威棱镜旋转引起的激光照射脉冲偏振态的变化, 利用琼斯矩阵对道威棱镜的偏振特性与四分之一波片、半波片补偿道威棱镜旋转引起的激光脉冲偏振态变化进行了理论分析和实验验证。结果表明: 线偏振的激光脉冲通过旋转一定角度的道威棱镜时, 激光脉冲偏振态变为椭圆偏振, 偏振态发生变化; 而激光脉冲首先通过旋转一定角度的四分之一波片与半波片时, 可使通过道威棱镜系统的激光脉冲偏振态保持不变, 且两波片旋转角度与道威棱镜旋转角度之间存在一种非线性关系。采用偏振补偿方法可有效避免机载共口径光学系统中道威棱镜引起的激光脉冲偏振态变化, 提高激光脉冲能量利用率, 降低激光脉冲后向散射抑制难度。

离轴三反光学系统目前常被多谱段共口径光学系统作为共口径端，检测离轴三反光学系统中凸非球面次镜时，需要通过补偿法来实现非球面的高精度检测，因此补偿器的优化设计是关键技术之一。对于二次曲面系数较大同时背面为非透射面的小口径凸非球面，无法采用非球面透射式的补偿法进行检测，因此采用凸非球面直接作为反射面的自准直平行光补偿检验法。根据设计思路，利用Zemax软件构建初始结构并对其进行优化，这样简化了初始结构计算过程，同时能得到理想的补偿器系统结构。给出了一个口径为80 mm、二次曲面系数为-6.5，F 数为5.00375 的凸非球面反射镜的补偿器系统的设计过程和公差分析过程，系统工作波长为632.8 nm，均方根值为0.000015λ，公差分配后残余波像差为0.0104708λ。

离轴三反射(TMA)系统是基于同轴三反射系统，通过视场离轴及孔径离轴实现无中心遮拦。传统解法需通过三反射镜遮拦比与放大率,来确定同轴结构的间隔等参数，该方法不利于直接限制系统筒长。在传统解法的基础上，提出一种通过给定三个反射镜间隔及三镜到像面距离，确定同轴结构的方法。利用Matlab 软件设计程序求解初始参数；利用Zemax 光学设计软件进行优化。根据是否有中间像面，分别设计得到焦距为1500 mm，入瞳250 mm 的Cook 式和Wetherell 式离轴三反射系统。结果显示，两种光学系统调制传递函数在50 lp/mm 处均大于0.6，点列斑均方根半径小于5 μm 。该方法直接有效的控制了系统长度，设计结果像质满足要求。

高速飞行器采用拼接式光学窗口可以减小风阻和雷达波反射，但是会引起入射波前在窗口处被各个拼接玻璃分割，可能会导致光学系统调制传递函数(MTF)降质以及点扩展函数(PSF)的下降和劈裂，严重的情况下会影响系统的分辨率。因此，分析拼接式光学窗口对光学系统的影响对设计采用拼接窗口的光学系统有着重要参考价值。利用Zemax 软件构建拼接窗口模型，简化拼接窗口分析过程，得出不同情况下拼接窗口波前分割后的MTF 和PSF，结果表明，当被分割的入射光产生特定的光程差时会使MTF和PSF发生严重下降和劈裂，PSF发生严重劈裂的系统会使光学系统成像质量下降。拼接窗口参数的合理选择可以降低这种影响。

为了避免连续变焦光学系统中，各组元像差自动设计对设计者经验要求高、计算复杂且计算量大的难点，提出了一种利用差值线性方程组进行像差自动设计的方法，并用此方法设计了一套可见光波段连续变焦光学系统。利用高斯光学计算理想近轴系统的结构参数；利用差值线性方程组进行系统像差自动设计，使系统的初级像差系数SI 、SII 与SIII 在各焦距位置处近似相等；基于像差自动设计结果计算光学系统的初始结构参数；利用Zemax自动设计软件进行像差校正平衡。优化结果表明：系统可实现20~300 mm 的连续变焦，且在截止频率50 lp/mm 处，各焦距位置各视场的传递函数(MTF)均大于0.4。因此，应用差值线性方程组法进行像差自动设计，可以简化计算，减少对设计者经验的依赖，并且能够取得良好的像质。

考虑红外多波段双视场共光路系统多谱段色差严重且能量透过率低, 本文设计了结构简单的红外中波/长波双波段双视场折射系统, 实现了成像系统的功能多样性。该系统采用了320 pixel×240 pixel红外中波和长波双色焦平面阵列探测器, 通过引入非球面元件提高了系统校正像差的能力, 实现了镜片组的结构性调整。系统包括变焦和二次成像两个子系统, 其中变焦系统短焦距为50 mm, 长焦距为200 mm, 满足100%冷阑匹配。像质评价结果表明: 在17 lp/mm处, 调制传递函数(MTF)在中波处大于0.5, 在长波处两个视场下都接近衍射极限; 另外80%左右的能量都能被集中在一个像元上, 光谱透过率均匀, 且无严重的冷反射现象。优化后的光学系统具有适用范围广, 结构紧凑以及成像效果好等优点, 在机载光电侦察跟踪设备上有较好的应用前景。

介绍了PW法在连续变焦光学系统初始结构求解过程中的应用。在物像交换原则的基础上对光学系统的各组件进行光焦度分配和间距的选择得到变焦系统的结构形式。通过改变PW值的大小以及正负选择最佳的玻璃组合, 消像差以及计算透镜的形状。利用PW初始结构求解法设计得到了焦距为50 mm~20 mm的中波红外变焦系统, 该系统包括5片透镜以及2个非球面, 结构简单并且满足100%冷阑匹配。最终得到光能透过率高, 成像质量好的连续变焦光学系统, 可以满足实际应用需求。因此, PW初试结构求解法在连续变焦光学系统设计中具有一定的借鉴意义。

基于同轴三反射光学系统基本原理，将孔径光阑和视场适当偏心，设计了一个灵巧型多光谱离轴三反光学系统，系统焦距1 200 mm，并对设计结果进行了像质评价。实验结果表明：系统在可见波段（0.486 μm ~0.656 μm）80 lp/mm空间频率下MTF>0.5，中波波段（3 μm ~5 μm）15 lp/mm空间频率下MTF>0.35，全波段范围内最大RMS为2.096 μm。系统中面型采用二次非球面，且整个系统仅有孔径光阑偏心，3个反射镜位置均无偏心和倾斜，降低了加工成本及装调难度。