浸液光刻投影物镜的数值孔径目前已经达到1.35，这对与之匹配的照明系统光瞳测量提出了十分苛刻的需求，为此设计了一种用于照明光瞳测量的傅里叶变换物镜。分析了傅里叶变换物镜应该满足的畸变要求，并针对照明光瞳测量实际需求分析了傅里叶变换物镜的正弦条件偏离的阈值，采用对不同视场角预留不同负畸变值的方法，实现了一种傅里叶变换物镜光学设计，采用5块透镜、1种光学材料，满足照明光瞳测量对正弦条件偏离阈值的要求，成像质量接近衍射极限，并对傅里叶变换物镜逆向光路也进行了分析计算。通过傅里叶变换物镜光学设计的具体实例，证实了通过对不同视场角预留不同负畸变值设计方法的有效性，利用该方法可以获得满足实际照明光瞳测量要求的傅里叶变换物镜。

针对光学相关器的技术指标，对其光学系统进行小型化设计。傅里叶透镜组与准直扩束系统均采用摄远型式结构，在满足其长焦距的前提下缩短了系统的光学筒长；采用直角反射棱镜折叠空间光路充分利用空间，使系统布局更紧凑；利用计算机辅助设计软件ZEMAX对光学系统结构进行优化，最后研制出的小型化透射式光学相关器总长在150 mm以内，总宽在130 mm以内，实现了小型化目的。改进后的光学系统结构为双光路处理结构，具有实时性强的优点。经实验验证，该装置具有较好的相关探测性能，并且噪声小、探测精度高。

针对光学全息再现像质较差，本文提出四片式近似全对称傅里叶变换透镜的设计。该设计根据电寻址液晶和 CCD对傅里叶变换透镜的匹配要求确定设计参数。为了缩短总长，系统采用双远距结构 , 并利用 ZEMAX自动设计软件进行优化设计。将设计结果应用于实验，获得了清晰的光学全息再现像。实验结果表明，该设计的各项指标与实验系统相匹配，具有结构简单，像质好，满足较大孔径和视场要求等优点。

针对像素不匹配的数字全息存储器中出现的莫尔条纹现象, 提出了利用莫尔条纹进行全息存储光路精确调整来实现像素匹配的方法.通过对CCD像面图像中莫尔条纹的周期和角度进行分析, 得到光学系统需要的精确调整参数.实验中, 实现了空间光调制器和光电耦合器阵列512×512像素的1∶1像素匹配,该方法能提高读取速度并降低误码率.

为了测量由于卫星姿态不稳定或振动等原因引起的空间相机亚像元像移,设计了基于联合变换相关器的像移测量试验系统,提出了像移测量方法。阐述了该测量方法的数学原理,给出了面阵CCD的安装位置以及输入图像序列的获取方法。根据相关参数确定了试验系统的傅里叶透镜结构和参数,最终设计了试验系统。应用线性插值和像元合并方法获得具有亚像元像移的输入图像。试验结果表明,像移测量的精度不随景物的内容而变化,测量得到的像移误差均方根值＜0.2 pixel。

将两块漫射板分别置于输入面的两侧，使物光和参考光同光轴，可以使体全息存储傅里叶变换光学系统更为紧凑。然而，在这种全息存储光学系统中，物光和参考光的总数值孔径较物光数值孔径大很多。分析这种体全息存储光学系统物光和参考光光路的设计要求和光学参量的确定；采用多重结构方法对物光正向光路、逆向光路和参考光光路同时优化设计，实现对物光光路二对物像共扼位置控制像差，并满足参考光光路的要求；给出前后组焦距分别为33 mm和30 mm的物光和参考光同光轴，前工作距为30 mm，物光和参考光总数值孔径为0.53的全息存储光学系统的设计结果。系统的波像差小于0.071λ，达到衍射极限。