为了解决外鼓式热敏计算机直接制版(CTP)设备的制版镜头因畸变、场曲过大而导致制版质量不良问题, 采用ZEMAX光学仿真软件, 设计了一款低畸变、低场曲的制版镜头光学系统, 并对其进行了公差分析和实验验证。结果表明,该光学系统由6片透镜组成, 工作波长为830 nm, 场曲小于1 μm, 畸变小于0.1%, 调制传递函数在全视场200 lp/mm处大于0.7, 并且镜片都采用标准球面设计, 制版效果良好。该系统能够满足实际制版生产需求, 具有一定的市场前景。

介绍了一种应用于空间超冷原子物理实验平台的二维磁光阱光机系统的集成优化设计方法，可获得高通量冷原子束流以满足后续三维磁光阱中冷原子的高装载率。二维磁光阱激光系统的主要光路包括冷却光、重泵光、推送光和缓冲光。首先，利用Zemax软件对光学系统进行设计和优化，使得成像系统的点列图均方根(RMS)半径均小于艾里斑，而且光学系统的调制传递函数(MTF)与衍射极限传递函数非常接近，系统具备优良的光学性能。在此基础上，利用Solidworks软件仿真完成了高稳定度、简单化、小型化光机结构的设计。针对4路光同时输入一个光机口的难题，提出了V-GROOVE光纤设计方案，进一步提高了所有光机组件的集成度。该系统在工程化的基础上实现了装载率约为1.89×10⁸ /s的连续冷原子束流。

目前市售胶囊内窥镜仅能观察到前方视场,而人体内肠道组织的褶皱和回环会导致大量后方视野出现盲区。设计了一种可以同时对前后方视场进行成像的胶囊物镜,该物镜的前方视场为0°~80°,侧后方视场为50°~80°。该物镜总长为15.6 mm,最大径向直径为8 mm。该物镜搭配OH02A10成像芯片可满足高分辨率(89 lp/mm处的最大截止频率大于0.5)的要求,且具有良好的成像质量。

大气中二氧化硫(SO2)浓度很低,发出的荧光信号很弱,直接影响了SO2浓度的检测精度,并且传统荧光采集光路长,这阻碍了仪器的微型化发展。为提高荧光信号的采集效率以及仪器的检测精度,缩短传统光路,针对荧光随机性发散分布特征,利用ZEMAX软件进行痕量SO2荧光信号采集光路的设计,并与传统荧光采集光路进行对比仿真分析。仿真结果表明:优化后的荧光采集光路对荧光的采集效率约为22.6%,比传统荧光采集光路的采集效率高4倍,透镜组的像方主点到最佳采集点的距离减少了29.17%。优化后的光路有利于进一步实现已有大气痕量硫检测仪器的小型化改进与检测精度的提高。

为简化系统结构,将激光发射系统与成像接收光学系统合二为一,设计了一种可变远距离收发共用的折射式光学系统。该系统使用分光镜将1064 nm激光和可见光分离,通过调节成像系统焦面及发射系统前透镜位置,可对300～2000 m 范围内物体进行激光发射及成像接收,结合两种功能于一体,采用发射接收共光路的方式,实现了激光光学系统的小型化与轻量化。根据PW法分别设计了主光路前后组镜头初始结构,并使用Zemax软件对初始结构进行优化分析,大大提升了接收系统的成像质量和发射激光能量集中度。最终设计结果满足设计要求,在300～2000 m物距范围内系统发射光斑大小合理并能清晰成像。

为满足现代智能化设备和红外交互识别的需求，利用CodeV和Zemax光学设计软件设计了一款小型化红外广角镜头。该镜头使用３片塑胶非球面镜片和1片红外带通滤光片，其光学结构形式为负-正-正的结构；该镜头的F数为2.2，全视场最大角度为129°，系统机械总长3.8 mm。该设计在1/2奈奎斯特频率处各个视场的调制传递函数值均大于0.5。组装该镜头进行测试，其调制传递函数性能符合设计需求，可以较好地实现红外探测功能。

利用光学设计软件ZEMAX和Python软件联合实现空间引力波望远镜光程差(optical path difference, OPD)精密求解; 通过动态数据交换(dynamic data exchange, DDE)实现ZEMAX软件和Python软件数据交换: 首先, Python软件对有限元分析后望远镜镜面数据进行处理, 并将分析结果通过DDE传输给ZEMAX进行光线追迹; 其次, ZEMAX软件对追迹后的光线坐标再通过DDE传回Python软件; 最后, Python软件通过全局坐标系, 计算刚体平移带来的光程差和波前的变化。模拟1 mK温度变化下引力波望远镜的受力变形, 通过ZEMAX软件和Python软件求解空间引力波望远镜光程差和波前变化, 结果表明光程差精度为1e-13米量级, 完全可以满足望远镜皮米级稳定性精度要求。本研究可为后续引力波望远镜光机结构方案设计中光程差分析提供技术参考。

近红外光谱分析作为石油勘探过程中油品成分鉴别的一种重要手段，多年来引起人们的广泛关注和深入研究。针对石油勘探过程中油藏井温度高、空间局促等苛刻环境条件，研制了一种能够在高温环境中连续稳定工作的实用化微型近红外光谱分析仪，其体积为154 mm×66.5 mm×38 mm。该微型近红外光谱分析仪采用凹面光栅作为分光元件，针对油气特征波段进行理论计算和Zemax软件仿真，设计出通量高、杂散光少、成像优质的全息凹面光栅。探测器选用Hamamatsu公司二级半导体制冷线阵电荷耦合器件(CCD)，通过合理的光路设计和紧凑的结构布局，实现了在70 ℃的高温环境下稳定工作。通过标定及相关性能测试，结果表明：该微型近红外光谱分析仪光谱范围达到1550~1890 nm，分辨率优于4.8 nm，波长准确性±1.1 nm，信噪比1202∶1；利用该光谱分析仪对0#柴油和水的吸光度进行了应用实验，结果充分证明该系统的实用化水平。

目前电子内窥镜仅能观察前方视场, 为了消除后方视野盲区给病人带来的误损伤, 设计了一个可以同时观察前方和后方视场的电子内窥镜。第一片透镜采用类“双胶合”透镜设计的方法, 并在透镜的前表面添加环形反射膜来满足前置物镜透射和反射的需求。系统采用球面设计, 以降低成本。运用Zemax软件对系统进行优化, 并配以1/10 in(1 in=2.54 cm)电荷耦合器件(CCD)接收成像。设计结果表明, 该系统的径向尺寸为5.5 mm, 满足内窥镜对小尺寸的要求, 轴上和轴外像面照度均匀, 各视场在100 lp/mm处的光学传递函数(MTF)值在0.75以上, 接近衍射极限, 满足分辨率的要求。

为了满足交通监控对图像质量不断提高的要求, 设计了一款大孔径、大靶面、昼夜型光学系统。采用近对称结构, 调整第一组元结构参数, 平衡昼夜共焦面的设计思路, 较好地控制了垂轴像差和离焦量, 实现了大孔径、大靶面、昼夜型光学系统的设计要求。成像系统对可见光和近红外波长0.79 μm进行了双重组结构优化设计, 实现了日夜离焦量小于0.005 mm, 在空间频率为130 lp/mm时, 全视场MTF＞0.3。对该光学系统进行容差分析和讨论, 提出把控元件偏心公差可有效抑制由于生产制造使得实际成像和理论成像偏差过大等问题。