为了实现高精度大口径平行光管波前检测, 评价平行光管出射波前质量, 提出了采用差分五棱镜扫描波前检测方法检测平行光管。该方法为五棱镜扫描法的优化方法, 通过测量波前斜率的改变得到波前曲率的信息来重构波前, 从而消除由于五棱镜扫描法波前检测中质心标定不准确而引入的倾斜和离焦的误差量。通过搭建差分五棱镜扫描法波前检测系统验证了此方法的可行性, 并给出差分五棱镜扫描法误差分析说明此方法可靠性。误差分析表明, 该方法检测精度可以达到10.54 nm; 实验结果表明, 该方法相比于五棱镜扫描法分别在波面峰谷值（PV）和均方根值（RMS）的重复性精度上提高了74.41%和125.81%。该方法基本满足平行光管波前检测精度高、稳定性好的要求, 可以客观准确地评价平行光管出射波前质量。

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。

针对投影光刻物镜苛刻的像质要求，将计算机辅助装调(CAA)技术引入投影光刻物镜的装调过程中，建立了相应的数学模型。选取33个视场Fringe Zernike多项式的4~37项，以及畸变作为校正对象，并选取19个结构参量作为补偿器。通过将CODE V的宏功能和Matlab结合，采集灵敏度矩阵和像质数据。提出用奇异值分解求加权最小二乘解的方法计算补偿量，通过权重因子实现对不同视场上不同Zernike项系数或畸变的改进。将补偿后光刻物镜的性能和理想光刻物镜对比，发现相比于设计镜头，装调后镜头的平均波前均方根(RMS)大约差0.004λ，平均畸变大约差1 nm，该方法可以将系统波像差和畸变恢复到接近设计水平。

为了分析光学材料折射率非均匀性对极小像差光学系统成像质量的影响，从而指导系统的进一步优化设计，提出一种三维仿真和光线追迹方法。该方法是在Zemax中通过自定义的程序，构建材料折射率均匀性的三维分布，设置光线追迹的步长，并控制整个光线追迹的过程，以提高仿真分析的精度。利用所提出的三维仿真和光线追迹方法，对一个数值孔径为0.7、工作波长为632.8 nm、波像差均方根(RMS)值为1.5 nm的小像差光学系统进行了仿真分析。结果表明，相比于传统的二维处理方法，提出的方法仿真精度有较大提高。

在高成像质量的光学系统的集成制造中，受元件的面形和材料的均匀性误差的影响很难满足极限的成像质量要求，必须采用多种像质补偿措施，元件的旋转补偿是其中必要的像质补偿措施之一。提出了一种光学系统光学元件旋转补偿优化方法，该方法可以用于获取元件的最佳旋转角度。实验验证了该方法的可行性，证实了旋转补偿对系统波前像差具有较强的补偿能力。通过研究旋转补偿的机理总结出可用于评估光学系统旋转补偿能力的多边形原则，并以此作为光学材料筛选的原则之一。最后提出了一种针对球面多视场系统的旋转补偿优化方法，并得到了光学设计软件的分析验证。旋转补偿是高精密光学系统制造和集成中经济有效的像质补偿措施，对进一步提升光学系统的性能具有重大的意义。

研究了光学表面中频误差对杂散光的影响规律，提出使用功率谱密度函数描述表面中频误差，并通过该描述方法进行杂散光分析；同时利用等效光瞳空间频率对表面中频误差进行公差分析。利用以上方法，对工作波长为193 nm、数值孔径为0.75的光刻物镜进行元件表面中频公差分析，当要求在2~10 μm范围内的杂散光强度占比小于0.5%时，中低频等效光瞳空间频率界限为16，中高频等效光瞳空间频率界限为78。当元件表面功率谱曲线指数取1.5时，功率谱密度系数小于0.06的元件表面满足杂散光要求。结果表明该方法可以有效分析光学系统杂散光和元件表面中频公差。

利用Zernike多项式对用Zygo干涉仪测得的离散材料折射率数据进行了拟合, 再使用光线光学的方法评价了系统的成像质量. 由于材料折射率分布的无规则性, 在对包含非均匀介质的实际光学系统的模拟仿真和优化时, 需要考虑选取材料不同部位加工成的透镜会对系统成像质量有不同的影响, 而且加工好的透镜在装配过程中, 绕着光轴旋转不同的角度同样会影响成像质量. 通过计算机模拟的方法预先选取材料的最佳部位以及找到最好的装配位置, 从而提高了光学系统的性能.

利用ZEMAX光学软件设计了一种可用于周视监控的全景镜头，镜头由凹凸反射镜组和中继镜组组成，反射镜组使镜头获得大视场角，中继镜组将反射镜组所成的虚像投影到探测器上。该镜头有效焦距为0.97 mm，F数为1.5，垂直方向视场为±65°~±95°，水平方向视场为360°，镜头工作在475 nm~750 nm波段，总长为69.7 mm。设计结果表明：系统全视场f-θ型畸变小于5 %，调制传递函数(MTF)值在空间频率为60 lp/mm时大于0.58，系统成像质量良好，可满足周视监控的使用要求。

根据光学系统的波像差理论和干涉检测原理，分析了干涉仪系统的成像畸变对测量结果的影响，提出了对干涉仪系统的成像畸变进行标定和校正的方法。重点讨论了被测面的摆放存在倾斜和离焦两种情况下产生的测量误差，并提出了误差校正方法。实验中对同一个被测面进行多次测量，结果显示，干涉图样为3个条纹时的面形测量结果为30.96 nm PV，6.32 nm RMS，10个条纹时的面形测量结果为41.25 nm PV，8.22 nm RMS。校正后两次测量的PV值差降低到1.42 nm，RMS值差为0.4 nm。实验结果表明: 提出的畸变校正方法可以有效地降低测量误差，提高测量结果的复现性，为高精度面形测量提供参考。

为满足严格的套刻需求，双远心结构的投影光刻物镜需要选择恰当的元件移动来进行倍率的补偿和调节。提出了一种简单而实用的方法来进行倍率的公差分析。该方法利用商业优化设计软件和有限差分算法计算了多项公差对物镜倍率的敏感程度，同时结合公差对系统波像差的敏感度选择最佳的倍率补偿元件。利用以上方法，对一台双远心、工作波长193 nm以及数值孔径0.75的投影光刻物镜进行了倍率的公差分析和补偿器优选。结果显示，系统较好地实现了±50×10-6的倍率调节功能，而系统波像差劣化程度均方根值小于1.5 nm。