为实现大口径衍射光学系统宽波段成像，分析了传统衍射透镜基于Schupmann结构光路模型带宽增加带来的中继镜口径变大的问题，提出采用谐衍射透镜作为主镜构建大口径宽波段衍射光学系统，设计了口径为10 m谱段覆盖400~900 nm的大口径光学系统，中继镜的口径与传统设计相比减小了2.4 m。为验证该设计方法，设计一套口径为80 mm、光谱范围为400~900 nm的成像光学系统，并对该系统进行了成像实验，通过查看鉴别率靶图像无色差，验证了基于谐衍射透镜为主镜的宽波段成像设计方法，为大口径衍射光学系统设计提供了一种思路。

基于谐衍射光学元件的负色散和消热差特性，设计了一种工作波段为0.40~2.50 μm的宽波段光学成像系统。建立了双层衍射光学元件带宽积分平均衍射效率的数学模型。运用Matlab软件确定衍射元件的最佳设计波长。采用BaF₂、AL₂O₃、AL₂O₃-E、普通光学玻璃（KZFSN5、SF57）设计了折衍混合5片式光学结构，并通过合理分配光焦度实现了宽波段共光路共焦面集成。实验结果表明，该系统的有效焦距为100 mm，视场角为9.4°，F数为2.8，在-40~60 ℃范围内可实现无热化。在奈奎斯特频率50 lp/mm处，0.40~0.78 μm波段的调制传递函数（MTF）均大于0.6，0.78~2.50 μm波段的MTF均大于0.5。相比基于折射透镜的传统宽波段光学系统，该系统具有结构简单、尺寸小且成像质量接近衍射极限的优点。

设计了一套基于谐衍射的液体透镜变焦系统。系统对可见光波段成像，视场角2ω为150°，焦距f′为20~120mm，可实现6X变焦。采用两片液体透镜，利用电润湿原理，无需改变透镜间距，只需调整施加于之上的电压即可实现变焦，同时引入一个谐衍射面来校正大视场所引入的色差。系统的调制传递函数曲线在奈奎斯特频率60lp/mm时，短焦高于0.7，长焦高于0.6，成像质量很好。系统的设计既保证了成像的高清晰度，又减小了系统体积，可广泛应用于内窥镜和智能手机等微型变焦系统领域。

设计了一套焦距f′=8 mm~2 400 mm的超高倍变焦光学系统，对可见光波段成像。采用多组元全动型变焦结构，在实现高变倍比的前提下不增加系统尺寸；在普通衍射透镜的基础上，分析了谐衍射元件的成像特性及色散，减小长焦距所引入的色差和二级光谱；给出了新型非球面方程及特性，解决了普通非球面方程项数选取复杂的问题。在上述理论基础上，利用Zemax光学设计软件对系统进行仿真，引入4个谐衍射面和4个新型非球面。设计结果表明，在奈奎斯特频率50 lp/mm时，调制传递函数曲线均在0.5以上，成像质量较好，可广泛应用于**、航天等领域。

采用双层Kinoform型衍射光学元件，设计了一种能够同时在红外中波(MWIR)3~5 μm和长波(LWIR)8~14 μm波段内工作的双波段光学系统。系统仅使用两种材料（ZnS和ZnSe）和四片透镜，实现了焦距100 mm、F数1.2的长焦距、大相对孔径光学系统设计。通过数值仿真运算，合理地选择双层衍射光学元件的两种基底材料及设计波长，衍射光学元件的带宽积分衍射效率超过96%。系统像差得到了很好的校正，成像质量良好，中波所有视场调制传递函数(MTF)(14.3 lp/mm)大于0.7，长波大于0.65，且接近衍射极限，同时分析了衍射效率对系统MTF的影响。最后利用Matlab软件绘制了衍射表面微结构仿真图，两个衍射面的最大闪耀深度分别为179.3 μm和159.4 μm，最小特征尺寸为1.41 mm，完全满足目前金刚石车削工艺的加工要求。

设计了一种基于中/长波双色焦平面阵列探测器的红外多视场变焦距光学系统，通过在窄视场光路中插入不同镜组的方式实现宽、中、窄视场的转换，并利用谐衍射原理和非球面设计进行像差平衡，其工作波长范围为中波3～5 μm、长波7.7～9.5 μm，F数为3，变倍比达到18∶1设计结果表明，在中长波双色工作模式下，中长波各个视场的MTF均接近衍射极限、中波红外70%的能量分布在一个探测器像元内、长波红外60%的能量分布在一个探测器像元内、温度适应性好该双色多视场光学系统在军民用光电探测领域有重要作用和广阔的市场前景

设计了工作于3~5 μm和8~12 μm双波段、F数为1.2的大相对孔径的红外消热差光学系统。该系统全视场角为22°,有效焦距为50 mm，系统总长78 mm。系统采用锗和AMTIR I(Ge、As、Se混合材料)两种材料,为三片镜结构。通过引入双层谐衍射元件，大大提高了衍射效率，减小了色差，并使系统重量减轻。系统在-40 ℃~60 ℃的温度范围内性能稳定,适用于像元尺寸为25 μm，像元数为640 pixel×480 pixel的凝视式双波段焦平面阵列探测器。设计结果表明：当探测器的尼奎斯特频率为20 lp/mm时，温度取不同值时的调制传递函数(MTF)值均大于0.5，成像质量良好，实现了消热差设计。可在作用距离为2 km时，分辨3 m范围的目标，满足**侦察的需求。

介绍了含有谐衍射面的单片式胶囊内窥镜的设计方法。系统工作波段为0.486~0.656 μm，视场角为116.2°，光学系统总长为2.4 mm。另外，设计了含有3个球面透镜的胶囊内窥镜和含有非球面的单片式胶囊内窥镜，并和含有谐衍射面的单片式胶囊内窥镜进行了比较。结果表明，含有谐衍射面的单片式胶囊内窥镜可以达到含有3个球面透镜的胶囊内窥镜的成像质量，外形结构和含有非球面的单片式胶囊内窥镜一样简单。系统在频率40 lp/mm处的调制传递函数大于0.6。

为提高红外系统探测能力，满足探测器在红外中长波双波段同时成像的要求，提出一种基于谐衍射的光学系统设计。根据谐衍射透镜的特点，通过合理选择谐衍射波长和衍射级次，采用折射式共光路构型成功完成了中/长波双波段光学系统的设计。系统在3.7~4.8μm和7.7~9.5μm两个波段成像，F数为2，视场角10°。优化结果表明，成像质量接近衍射极限，具有良好的消色差能力，光学传递函数长波波段大于0.56，中波波段大于0.72。同时系统仅采用4片透镜，一个衍射透镜面，其余均为球面，大大降低了工艺要求，结构紧凑，透过率高。