针对离轴三反光学系统初始结构求解复杂、视场宽度小的问题, 提出了利用光学传递矩阵求解三反系统初始结构的计算方法, 推导了三反系统焦距和后截距的表达式, 求解了光阑位于次镜的三反系统初始结构。采用引入高次非球面以增加系统设计自由度的技术路线, 基于ZEMAX光学设计软件, 通过对同轴初始结构进行离轴优化, 得到了一个矩形视场17°×2°, 焦距1 440 mm, F数4.8的离轴三反光学系统。该系统三个反射面均为高次非球面, 可同时满足宽视场角和高分辨率的要求, 在空间频率50 lp/mm处, 调制传递函数大于0.6, 接近衍射极限。结果表明: 该系统搭载线阵/面阵时间延迟积分电荷耦合元件(TDI-CCD)用于推扫/多通道式空间对地成像时, 可有效扩大空间对地成像系统的地面覆盖范围, 提高信息获取效率。

明确了几种三反和四反结构的性能优劣，进而获得一种性能优良的中高轨空间详查光学系统的设计方案。针对同一种光学设计技术指标，分析了空间详查相机的各项主要参数，利用Zemax光学设计软件设计了同轴三反射镜，一次中间像离轴三反射镜和无中间像离轴三反射镜3种三反光学系统以及同轴四反射镜，无中间像离轴四反射镜和一次中间像离轴四反射镜3种四反光学系统，均满足指标要求。对比了上述系统的优缺点，在综合考虑当前的光学加工、检测、装调的可行性以及高分辨力空间对地成像技术发展先进性的基础上，决定选用有一次中间像的离轴四反射镜光学系统作为最终方案，得到了有效焦距29 m，F 数9.7，视场角1°×0.3°，外形尺寸3200 mm×6489 mm×8194mm 的空间详查相机光学系统。对该光学系统的性能进行了模拟和验证，结果表明该光学系统的分辨率、传递函数、像差、畸变等各项性能优异。

：激光的强相干性造成了激光投影显示中出现大量干涉条纹和散斑，为了消除干涉条纹和散斑对图像质量的影响，采用旋转新型散射体(Engineered DiffuserTM)的方法在一定积分时间内获得叠加的清晰图像。首先，介绍了激光投影显示中散斑的成因及采用时间平均抑制散斑的理论依据。接着，分析了传统散射体毛玻璃和Engineered DiffuserTM在结构及功能上的区别。最后，建立了旋转新型散射体抑制散斑的激光投影显示实验装置，对比验证了旋转新型散射体抑制散斑的效果。实验结果表明：散斑对比度降低到3.08%，图像质量良好，无明显干涉条纹。该方法满足商用激光投影显示体积小、简单易行等要求。

为了消除散斑现象,对随机漫射体抑制散斑的可行性进行了探讨.分析了“随机微透镜阵列”作为随机漫射体在光束控制和光能利用率方面的优越性,并提出了在光学系统中加入转动“随机微透镜阵列”的方式抑制散斑.对加入这种结构后屏幕上的散斑进行了测量,验证了此种方法可以将散斑对比度降低到115%,使人眼分辨不出激光散斑,提升了激光电视的观看效果,并与传统的转动匀光棒法进行对比,体现了此种方法出色的抑制散斑的能力.

针对大屏幕投影显示对成像物镜提出的超短焦、大视场角、超薄化、大相对孔径以及高清晰度等要求，设计了一种新型折反射式超薄投影成像系统。采用TI公司的0.65″数字微反射镜片(DMD)作为空间光调制器，利用非球面反射镜校正畸变并缩短投影距离，然后通过一个折叠反射镜对光路进一步转折来实现超薄化投影显示。系统由5片透射镜片和1片非球面反射镜组成，焦距为2.8 mm，F/#为3.5，最小视场角为55°，最大视场角为78.5°，在投影距离为120 mm时画面尺寸显示为65.2″。设计结果表明：在像面的Nyquist频率处，95%以上视场的MTF＞0.6，最大畸变量为0.8TV%，一个像元尺寸内能量集中度在90%以上。为了进一步验证折反射式超薄投影镜头的性能，加工并组装了原理样机。实验结果表明其图像显示效果良好，能够满足超薄化、低成本、小型批量化生产等设计要求。

为了克服传统LED准直器在近场难以实现均匀照明的缺陷, 设计了一种双自由曲面均匀照明准直透镜.透镜分为折反两部分, 每部分都利用双自由曲面进行匀光和准直.根据马吕斯定律, 推导了实现光束准直出射的等光程方程, 并将切面迭代法加入等光程条件, 同步计算准直透镜上下自由曲面的面形数据.仿真分析表明: 对1 mm×1 mm的白光LED芯片, 84.55%的能量集中在±2°内, 近场照度均匀性达到94.59%, 远场照度均匀性为89.01%；当LED芯片尺寸不超过2.0 mm×2.0 mm时, ±4°内的能量利用率大于83.5%, 近场照度均匀性在90%以上.该准直透镜能同时实现近场和远场的均匀照明, 公差符合装配要求, 光能利用率高.

从三级像差理论出发，推导了光阑设于次镜镜框的共轴四反射镜光学系统的单色像差系数的表达式，并给出了四反射镜光学系统的基本设计流程图。在此基础上，对光学系统进行视场离轴，设计出了视场角为20°×0.6°，焦距为1343 mm的视场离轴四反射镜光学系统。该光学系统无中心遮拦，结构紧凑，成像质量接近衍射极限，适用于空间遥感。

为了将椭圆高斯光束整形为圆形平顶光束, 设计了一种无中心遮拦反射式两镜整形系统。根据能量守恒思想, 选择匀化洛伦兹函数作为出射光束平顶分布函数, 建立了入射面和出射面之间的坐标变换关系; 采用光程守恒原理和矢量形式的反射定律, 推导了积分形式的整形系统两反射镜面形方程。利用数值解法计算出两反射镜的面形数据, 经过光学设计软件仿真与系统参数分析, 得到的圆形平顶光束在目标区域的照度均匀性大于95%。结果表明, 这种整形系统可以明显提高椭圆高斯光束的平顶性, 具有现实可行性。

研究一种基于液晶光阀的动态光学目标模拟器用视景仿真镜头,给出了视景仿真镜头的设计实例。动态光学目标模拟器由内置液晶显示系统、视景仿真镜头、外置投影仪、计算机、电缆、调整机构组成。测试设备将命令发送到计算机,计算机根据接收的指令生成模拟地形图并控制液晶光阀将图像显示出来,液晶光阀位于视景仿真镜头的焦平面位置,视景仿真镜头对液晶光阀成像后形成平行光出射,可在有限距离上产生无限远效果模拟观测结果,光学敏感器接受模拟器的出射光线并成像完成模拟试验,视景仿真镜头采用二次成像的反远结构,同时为保证与液晶光阀出射光相互匹配,采用了远心光路的结构形式。视景仿真镜头的焦距f=-22.447 1 mm,视场角是对角线视场为45°,有效视场为30°1.5′×30°1.5′；全视场畸边＜1％,在Nyquist频率42.5 lp/mm处MTF＞0.45,系统长度325 mm；视景仿真镜头与敏感器镜头配合后在敏感器像面上的照度均匀性不小于95.4％。最后给出了视景仿真镜头的测试结果。