为了解决成像流式细胞仪多色、宽波段、长工作距离以及大数值孔径等难点，设计了1款多光谱成像流式细胞仪光学系统。系统基于模块化设计思想，灵活运用部分和整体的优化方法，保证各模块的相对独立性；显微物镜引入衍射元件对宽谱段色差进行校正，保证在全波段下成像质量均达到理想的性能指标；多光谱分解镜组采用二向色镜堆栈分光，多重结构同时优化6个通道，大大降低了系统对色差的校正难度。全局优化得到最终的光学系统，放大倍率为60倍，视场为60 μm×128 μm，波段为420~800 nm，6个分光通道，分辨率达到0.5 μm，成像质量接近衍射极限。

设计的透镜中心厚度测量系统是一种基于色差共焦原理、能快速自动测量且不接触透镜表面的新型测量系统。为使得测量设备测量范围较大，采取建立多重结构的方式分别消除各个组态内的单色像差，并放大组态间像距的差值以增大系统的位置色差。所设计的光学系统在400～1000 nm 波段范围内产生30 mm 左右的位置色差。使用该光学系统，能使测量设备的最大测量范围达到30 mm 以上。利用研制的设备对3 种不同厚度的透镜进行了实际测量，结果表明：对于厚度为6、15、30 mm 的透镜，设备的测量精度分别为±2.5、±3.5、±5.0 μm。

为了解决现有镜面偏心测量设备存在的问题, 本文研究了一种采用切换镜头和调焦相结合的方法来设计的镜面偏心测量光学系统, 使用这个光学系统, 既能使被测镜面的曲率半径扩展到-∞～+∞范围, 又能保证测量精度。通过Lighttools软件对这个光学系统进行光线追迹, 分析其杂光分布, 结果表明: 准直镜头内部多次反射产生的杂光强度很低, 可以忽略。而当被测镜头中存在相邻球心像距的镜面时, 产生的杂光强度比较大, 在后续的图像处理过程中, 必须增强目标图像的对比度。利用研制的镜面偏心测量设备进行测量实验, 结果进一步验证了杂光分析的正确性。

透镜中心厚度测量设备是基于色差共焦原理，能快速自动测量透镜的中心厚度，且不接触透镜表面的一种新型设备。通过对该测量系统出射光光谱的研究，得到影响光谱带宽及系统测量精度的因素。研究结果表明，对于峰值波长λ0 的光，其在系统中的像方数值孔径NA ，以及小孔半径r 均会对出射光的光谱有影响。NA 越大，出射光带宽越小，系统测量精度越高；r 越小，出射光带宽越小，系统测量精度越高。根据这一研究结果进行测量系统的设计与仿真，确定了能满足系统测量精度要求的NA 和小孔半径r。

太阳模拟器是非成像光学领域的重要应用。由于光学系统的特殊性，导致其光路很长，当采用双分离准直物镜时，准直系统的长度占了很大一部分。因此为实现太阳模拟器的小型化，提出将具有短后截距的摄远物镜替代通常采用的双分离准直物镜，从而缩短准直系统的长度，使光学系统的结构更加紧凑。同时设计了一种三片式的摄远物镜，并通过LightTools 软件仿真分析的方法研究了这种三片式的摄远准直物镜对太阳模拟器技术指标的影响。仿真结果表明：应用这种摄远物镜可以在太阳模拟器技术指标变化不大的情况下，实现太阳模拟光学系统缩短，有利于太阳模拟器的小型化。

为了对目标的多波段辐射特性进行测量，设计了一套300～1 000 nm三波段光学成像系统.该系统共用同一入射窗口，采用两个直角棱镜进行分光，每个波段使用独立的光学成像镜头，能同时得到目标的紫外、可见光和近红外图像.利用LightTools软件对此系统的鬼像进行模拟分析，发现棱镜表面和窗口玻璃之间的光束多次反射之后，经过光学成像镜头聚焦到探测器靶面上，形成了目标的多重鬼像，大大降低了图像的对比度.实验结果表明：采用本文所述方案，三波段成像系统能达到较好的像质；将窗口玻璃和第一个棱镜的角度控制在7″之内可以消除鬼像，对使用棱镜作为分光元件的多波段光学成像系统的设计和研制具有一定的参考意义.

系统的成像波段分别为近紫外（300 nm~380 nm）波段，可见光（380 nm~760 nm）波段和近红外（760 nm~1 100 nm）波段。通过搭建与该光学系统相对应的辐射定标装置，建立辐射定标数学模型，对已研制的三波段成像光学系统进行绝对辐射定标的研究。针对系统成像波段光谱范围较宽的特点，以分波段辐射定标方法对于测量得到的定标数据，采用最小二乘线性拟合法进行处理，对算法进行修正，再对定标数据进行处理。通过实验验证了2种方法的定标精度，结果表明：修正后的算法可得到精度更高的定标曲线，测量相对误差不超过5%，定标结果满足实际工程需求。

材料的色散会影响镜面间隔的测量精度，为了提高光学干涉法测量镜面间隔的精度，对材料色散效应进行理论分析和数值仿真，分别对LAK9、ZF6、H-ZF2、BAK7、K9 光学玻璃进行仿真测试，得到了干涉信号峰值偏移量关系式，信号峰值偏移量与材料的一阶色散系数成正比。为了验证该关系式的正确性，搭建了一个镜面间隔测量实验平台，实验测量得到的干涉信号最大值偏移量与仿真测试结果的相对误差小于2%，考虑到实验过程中的误差因素，证明仿真测试得到的结果是正确的。

为了对地面目标的辐亮度系数进行测量，研制了一套包含紫外、可见光和近红外三个波段的光学成像系统，用积分球对其辐亮度响应进行标定，得到辐亮度与图像灰度值和探测器积分时间的拟合方程。提出了一种地面目标辐亮度系数测量方法，采用两块不同辐亮度系数的漫反射板作为参照物，建立辐亮度方程组，最终求解得到的目标辐亮度系数表达式中将不含气象参数项。利用研制的三波段光学成像系统，对绿草地的辐亮度系数进行测量，使用辐亮度系数分别为0.99、0.50、0.20、0.10的四块漫反射板，测得草地的紫外、可见光和近红外波段的辐亮度系数分别为0.070、0.184和0.429。

针对大曲率自由曲面棱镜在加工中存在表面粗糙度差的问题, 本文采用离轴非球面面型研制了棱镜式虚拟显示目镜。目镜的3个光学表面都采用了回转对称的非球面面型, 其加工精度比自由曲面高且加工难度大大降低。通过控制棱镜各表面的曲率、倾斜角度来实现短焦距和大视场并通过优化高次非球面系数校正像差。实验结果显示：研制的目镜其光瞳大小为6 mm, 视场大小为55°; 在30 lp/mm处, 轴上视场的调制传递函数(MTF)值高于0.2, 轴外视场的MTF值高于0.1, 目镜的最大畸变量为-5.37%。棱镜的检测和试验结果表明：与自由曲面棱镜相比, 采用非球面面型能够显著降低棱镜表面的粗糙度, 避免图像重影现象, 成像更为清晰, 虚拟成像的目视效果得到了明显改善。