基于制冷型320×240凝视焦平面阵列探测器，采用离轴折反射式结构设计了一种大口径长焦距红外连续变焦光学系统.系统分离轴无光焦度和透射式连续变焦两部分，通过光瞳匹配和冷屏匹配将两部分组合起来进行优化，解决了透射式连续变焦系统因材料限制不能实现大口径、共轴连续变焦系统短焦遮拦比大和离轴三反变焦系统像面移动的缺陷.系统工作波段为3.7～4.8 μm，焦距范围250～2 000 mm，变倍比为8×，F数为4，满足100%冷光阑效率.在空间频率16 lp/mm处系统的MTF值大于0.5，具有像质好，分辨率高等特点，满足设计要求.

针对常规红外干扰技术存在的能量无法集中、隐蔽性差且无法进行变倍切换等实际问题，提出一种离轴双反射式激光干扰扩束系统的设计方案，并对离轴双反射镜组，转向平面反射镜及支撑固定机构等主要组成部分进行了光机结构设计.为实现扩束比的变倍切换功能，采用新型离轴副镜组件设计;为减小镜面变形，离轴主副镜组均采用微应力设计.分析结果表明，在－20～+60℃温度范围内，主副镜组轴向最大位移小于等于0.01 mm，主副镜组的反射镜面形误差小于等于71.9 nm;系统一阶固有频率108.3 Hz，其支撑结构应力响应远小于材料的屈服极限.实际测试发现，系统可实现1:10.02(19.92,25.02)扩束比，满足设计技术指标要求.分析及试验结果表明，系统光机结构设计合理，完全满足实际应用要求.

提出了一种基于同心离轴双反射系统的成像光谱仪，该系统由四片球面反射镜与一块平面光栅组成.在分析同心离轴双反射系统的基础上，结合像差理论与光程函数概念，推导了同心离轴双反射系统的像散公式，得到其消像散条件.消像散理论表明，将消像散的同心离轴双反射系统分别应用于成像光谱仪的准直光路与聚焦光路中，可以实现成像光谱仪全光路消像散.研究了准直光路与聚焦光路共心对称的成像光谱仪结构，给出了其通用设计算法.根据初始结构计算方法，设计了工作波段在远紫外(120~180 nm)的成像光谱仪实例，给出了初始结构的点略图与像散曲线图，以验证消像散理论的正确性.结果表明，初始结构完全符合消像散理论.优化设计后的成像光谱仪光谱分辨率接近1.6 nm，调制传递函数值全视场全波段在0.37以上，具有良好的成像质量.

大相对孔径宽视场成像光谱仪已成航天、航空遥感的迫切需求，要求其望远镜具有大相对孔径、宽视场和像方远心、成像质量高等特点.以同轴三反望远镜的几何成像理论为基础，研究了大相对孔径、宽视场远心离轴三反望远镜的光学设计问题，并且编制了初始结构计算程序.采用视场离轴方式设计了一个波段范围200～1 000 nm，焦距210 mm，相对孔径1∶2.5，线视场14°的远心离轴三反望远镜，主镜和三镜为6次非球面，次镜为二次曲面.点列图直径的均方根值小于16 μm，80%的能量集中在一个像元以内，在奈奎斯特空间频率22.2 lp/mm处，调制传递函数大于0.75，畸变小于0.2%，各项指标均满足应用要求.

为了克服常规平行式成像系统拍摄的三维公共场景较小、无水平正视差导致三维再现只能处于屏幕前方、容易引起视疲劳等问题，提出了一种改进的平行式三维成像方法.在图像传感器中，以读出像素阵列中的部分未送入显示的预留像素为基础，借鉴离轴平行式显示技术，利用预留像素将读出像素阵列中用于显示的部分在水平方向进行相应偏移，最终送入3D显示器完成显示.在建立的数学模型上分析与推导，实现了水平视差P>0，使人眼感受的立体景象处于屏幕后方，增强了立体视觉效果.选用752×582分辨率的CCD在自行研制的640×480@120 Hz系统上进行实验验证，证实了水平正视差产生的可行性，且三维公共场景夹角从常规的29°最大增大到34°，为设计出合适的正负视差及提高立体效果的研究提供了新方法.

采用调制传递函数和波前像差分析方法，设计了基于偶次非球面反射镜和Zernike自由曲面反射镜构成的放大倍数为80，相对孔径为2.8的三个离轴投影成像系统.其中第一片反射镜M1表面为凹面用于减小第二片反射镜的尺寸及获得高的对比度，而第二片反射镜M2和第三片反射镜M3表面为凸面用于校正系统像差及获得更短的投影距离.经软件设计与分析，三系统中基于三片Zernike自由曲面反射镜的成像系统光学性能最好，调制传递函数实现60 lp/mm 时60%以上，畸变小于2.0%.与其它文献相比，基于三片Zernike自由曲面反射镜系统可以更好地消除像差，缩短系统厚度，增大系统的可视角与相对孔径.