利用红外双波段成像能够获得更多的信息，从而提高探测和识别能力。将多层衍射光学元件应用到红外双波段光学系统中，可以校正色差、简化结构。讨论了多层衍射光学元件的成像特性，相比于单层衍射光学元件，多层衍射光学元件可在宽波段范围内获得高衍射效率，给出了多层衍射光学元件设计方法。基于此，设计了一种红外双波段混合成像光学系统。其中，双层衍射光学元件在3.7~4.8 μm和7.7~9.5 μm工作波段上的衍射效率达98.5%以上。仿真结果表明，系统像质良好，满足要求。

星敏感器测量精确、漂移小，在当代航天器中得到广泛采用；高质量的星敏感器同时具备高灵敏、宽谱段、小体积、轻重量等优点。为了提高星敏感器的性能指标，需要星敏感器光学系统具有更大的相对口径、更宽的谱段范围和更好的成像质量。衍射光学元件具有特殊的色散和光焦度特性，可以更好地校正光学系统的色差、简化结构和提高成像质量。设计的星敏感器折衍混合光学系统相对口径达到1/1，具有450~900 nm的超宽谱段和小于0.03%的相对畸变。光学系统加工、装调后，对成像质量和畸变进行实测，光学系统最低实验室静态传递函数为0.302（奈奎斯特），最大相对畸变为-0.021%，成像弥散圆直径在14 μm内。光学系统各视场成像质量一致性较好，满足各项技术指标要求。

基于对多层衍射元件的衍射效率的理论分析，设计了用于头盔显示器的含有多层衍射元件的60°视场折/衍射混合目镜系统。系统在设计波段和整个视场范围内衍射效率均在90 %以上，提高了光能利用率和像面对比度。目镜的出瞳距离为22 mm，出瞳直径为8 mm。调制传递函数（MTF）在25 lp/mm时全视场均在0.38以上，满足VGA分辨率要求。目镜中畸变为4.8%，垂轴色差最大为10 μm。整个系统结构紧凑，镜头总长26.8 mm，最大直径16 mm，全系统质量仅8 g，实现了光学系统的轻小型化。

设计了一种含有三层衍射光学元件的60°视场头盔显示目镜, 并给出了系统优化过程和结果.在整个视场和设计波段范围内三层衍射光学元件的衍射效率均在90%以上, 提高了系统的光能利用率和像的对比度.此目镜光学系统的出瞳直径为8 mm, 出瞳距离为22 mm.整个系统重量仅为8 g, 总长度为26.8 mm, 结构轻便紧凑, 具有良好的光学性能, 满足头盔显示目镜的使用需求.

讨论了折衍光学镜片的设计、加工和检测。结合设计采用单点金刚石车削工艺加工出了具有连续浮雕结构的折衍光学镜片。对加工成的折衍光学镜片采用先进的数字化检测，结果表明，面型精度为0.228 μm，表面粗糙度为1.279 nm，台阶位置误差小于1/3波长。对折衍光学镜片加工中产生的遮挡效应和光的透过率损失给出了定量的分析结果。

根据高斯光学原理,以液体透镜为核心元件,研究了无移动镜组变焦系统的设计方法.从医用内窥镜的使用要求出发,设计了一种二元变焦内窥镜系统.该系统可通过气压或液压控制液体透镜表面曲率变化,实现1.5倍变倍比,在1.8 mm和2.7 mm焦距下都获得了良好的成像质量.

设计了一个折/衍混合远心消色差f-θ物镜系统.该系统由一片折射/衍射透镜和三片折射透镜组成.入瞳位于系统前焦面,整个系统满足像方远心.与美国专利(专利号:4,925,279)相比较,垂轴色差由2.40 mm降到0.23 mm,降低了一个数量级;对于0°、14°和20°视场,最大垂轴像差分别由 260 μm、1350 μm、2090 μm降低到 5 μm、250 μm、318 μm,最大场曲分别由 8 mm、10 mm、13 mm降低到0.5 mm、1 mm、6 mm.该物镜不仅可用于彩色激光打印机、激光数码彩扩等多波长的扫描系统,也可用于能量要求较高的扫描系统.在高能量扫描系统中,通过引用折/衍混合远心消色差f-θ物镜,可用小体积工作于多纵模状态的激光器代替大体积单波长的激光器,使整个扫描系统小型化,并且提高了扫描准确度.

衍射光学元件具有独特的负色散性质和以其任意的相位分布实现对光波面的任意相位调制的特点,用在光学系统中可大大简化系统结构,而光学塑料在进一步减轻系统重量方面有优势。设计了应用于头盔显示器的折／衍混合全塑料目镜,其有效焦距为30 mm,视场角为40°,出瞳距离为20 mm,出瞳直径为8 mm,由三个折射透镜和一个衍射面组成。该目镜的最大镜头直径为26 mm,总重量为7 g。对于目镜中需要重点校正的像散和垂轴色差的最大值分别为0.58 mm和18 μm,而最大畸变也仅为3.3％;角分辨率为0.44 mrad,小于人眼的最小角分辨率。

设计了穿透式双通道单目微光夜视头盔的光学系统。其中微光物镜视场角为±14°,f数为1.4,含有一个衍射面。设计结果可兼容输入面尺寸为??18 mm,面型为平面的二代和三代微光像增强器;最大畸变小于0.5％,可用于夜间精确瞄准与测量。考虑黑暗环境使用的安全问题,显示系统采用穿透式双通道单目光学系统,实现内部图像和外部真实世界的同时观察。显示系统的特性参量为

利用衍射光学元件独有的负色散性质和可实现光波面任意相位调制的特点,在光学系统中引入衍射面,设计了出瞳距离为26 mm,出瞳直径为12 mm,视场角为20°(H)×15.4°(V)的用于增强现实的折/衍混合穿透式双通道头盔显示器的光学系统.设计的系统内、外两个光通道的光能量利用率分别达到1/4和1/2.系统分辨力适合采用分辨率为800×600、像元尺寸为33 μm的图像源.设计结果,系统镜头直径小于46 mm,满足用于双目显示的要求.设计结果表明,该系统不仅在结构上满足使用者因素的要求,而且成像质量接近衍射极限,具有很高的分辨率,色差和畸变非常小.设计结果完全满足用于增强现实的要求.