提出了一种利用方形孔径微透镜阵列和微图形阵列产生的二维叠栅条纹测量微小角度的方法。分析了不同尺寸阵列产生的二维叠栅条纹的节距变化规律,推导了微小旋转角度的表达式,对叠栅条纹的节距与阵列夹角之间的关系进行了理论分析与实验测量。研究结果表明,当微图形阵列的窗口边长小于微透镜阵列的透镜元宽度时,叠栅条纹的节距变化较平缓,且对微图形与微透镜阵列间的夹角θ的变化较敏感,这有利于提高测量结果的准确性;当微图形阵列的窗口边长为0.3 mm,微透镜阵列的透镜元宽度为0.4 mm时,节距与夹角θ间关系的实验结果与理论结果总体一致。

研究了方形孔径平面微透镜阵列和微图形阵列的叠栅条纹的傅里叶原理。方形孔径平面微透镜阵列可视为正交的二维栅格线簇, 以一维光栅叠栅条纹的傅里叶变换原理为基础, 推导了方形孔径平面微透镜阵列二维叠栅条纹的傅里叶变换解析式, 对低频(1, -1)级叠栅条纹进行详细讨论。同时对不同夹角下叠栅条纹的周期和同步性进行重点研究, 并采用不同结构参数的二维栅格模板与微图形阵列进行实验,结果表明：实验值和理论值相吻合, 研究结果为方形孔径平面微透镜阵列的应用与研究提供了理论基础。

针对方形孔径自由曲面反射系统，构造方形域上正交多项式用于波前解析，得到方形孔径系统波像差系数。在计算机辅助装调阶段，为确保装调结果准确，用方形域上正交多项式和光学设计软件来建立系统的灵敏度矩阵，结合自准直干涉法得到的多个视场得波像差来求解系统失调量；在多次迭代后得到系统平均RMS为0.164 1(632.8 nm)实测系统平均传递函数达到0.453 4的理想结果；证明该装调方法正确性，并适用于其他形状孔径自由曲面离轴反射系统式系统装调。

基于方形孔径平面微透镜阵列对匹配微图形的叠栅显示效应，对其叠栅显示效应进行了理论和实验研究。以一维光栅叠栅条纹理论为基础，建立叠栅条纹的二维模型，模拟了二维叠栅条纹的形成过程，分析了二维叠栅条纹的节距和放大倍率的变化规律，并进行实验研究。通过比较可知，二维叠栅条纹的节距和放大倍率的变化规律实验与理论结果一致性很好，研究结果具有重要的理论意义和实践价值。

为提高变折射率平面微透镜阵列的填充率, 利用光刻工艺和离子交换技术制备了填充率近达100%的方形孔径平面微透镜阵列, 并对其透镜元及相邻透元间间隙构成的角落区域的成像进行了理论和实验研究.根据变折射率介质光线追迹法, 利用MATLAB软件模拟, 发现在透镜元区域和角落区域成像特性相反.成像系统测试表明: 由于透镜元区域和角落区域的折射率分布变化规律不同, 透镜元与角落区域对物体分别成倒立实像和正立虚像；透镜阵列可实现聚焦和散焦功能；角落区域得到充分的离子交换使得间隙足够小, 形成了从该区域中心向外逐渐增大的新型梯度折射率模型.

针对目前红外焦平面光敏阵列中存在的占空比小、光能利用率低的实际问题，展开了正方形孔径球面微透镜阵列制作及其与红外焦平面阵列集成应用的研究.本文从红外焦平面光敏阵列特点入手，对比分析了正方形孔径相比于传统圆形孔径微透镜阵列在光能利用上的优势.提出正方形孔径微透镜阵列激光直写变剂量曝光制作技术，建立光刻胶曝光数学模型和正方形球面微透镜面型函数，以此为基础，编制直写设备变剂量曝光控制软件；利用长春理工大的学复合坐标激光直写系统和等离子刻蚀机进行相关工艺实验，制作了阵列256×256、单元尺寸40×40 μm2、球面半径60 μm、单元间距1 μm的红外石英微透镜阵列；并将其与相应阵列的碲-镉-汞红外光敏阵列进行集成.结果表明：微透镜的占空比达到95%，红外焦平面光能利用率从原来的60%提高到90% 以上.由此得出结论：变剂量曝光制作微透镜技术是可行的，正方形孔径球面微透镜阵列代替圆形孔径微透镜阵列，对于提高红外探测器的灵敏度、信噪比、分辨率等性能具备明显优势.