针对光学行业的CAD设计软件技术, 尤其针对序列光学应用领域, 例如成像, 激光等行业目前仍然被国外占据主导地位和垄断状态。国内拥有多个强大光学技术团队, 包括基础理论和应用, 但是还没有一款可以满足应用的光学设计CAD软件。在经历了将近10年的准备和集中的项目开发, 一款高集成度的光学设计软件已经完成, 并将其命名为CAXCAD。软件目前实现了高效率的基础框架和多个模块的集成, 在核心光线追迹、几何分析评价、FFT PSF MTF衍射计算、DLS 优化、评价函数操作数, 多重结构、坐标断点离轴仿真等多个领域实现技术突破, 重点介绍了CAXCAD的分析功能和优化技术的实现, 尤其是针对MTF调制传递函数。

长波红外探测器是机载红外搜索跟踪系统（IRST）的核心传感器，其成像质量的优劣直接决定了IRST的目标检出等关键技术指标，最终影响IRST的红外探测距离。设计了一套长波标准成像镜头，焦距150 mm，系统总长210 mm，调制传递函数达到衍射极限，畸变小于2%，在红外探测器筛选或验收过程中能够准确定量地评价其成像质量。

便携式空间外差拉曼光谱仪集成了光学功能镜头、干涉仪组件,以及探测器和激光器等热辐射器件,因此仪器在使用过程中存在着较为复杂的热环境,环境温度变化导致光学系统性能下降。采用光机热集成分析方法,重点研究了环境温度及热辐射器件对关键器件成像镜头的性能影响。在便携式空间外差拉曼光谱仪光学和结构方案设计的基础上,建立热-结构耦合模型；仿真得到成像功能镜头内镜片的间距和面形的变化,并利用Zernike多项式拟合其变化；将拟合结果代入光学设计软件中进行成像质量评估和分析。结果表明,在使用环境温度(-10℃~40℃)范围内,调制传递函数在光谱仪截止频率76.9 lp/mm处对比度均优于0.38,满足便携式空间外差拉曼光谱仪的使用要求。

透射质子的能损和散射角是质子照相成像模糊的主要来源。基于Zumbro聚焦成像磁透镜的质子照相技术, 可基本消除散射角引起的成像模糊, 实现几十μm的空间分辨, 但无法对能损信息进行优化是其空间分辨能力难以进一步提升的主要原因。为利用透射质子的能损信息, 进一步提高质子照相的空间分辨能力, 提出了一种新型的成像磁透镜, 称之为能损型聚焦成像磁透镜。基于11 MeV低能能损型质子照相的实验束线和Geant4模拟软件, 建立全过程照相模型, 研究11 MeV能损型成像束线的空间分辨能力。模拟研究表明: 对于10 μm厚的Al箔, 考虑点扩散函数等测量系统成像模糊的影响, 11 MeV能损型成像束线可实现约30 μm的空间分辨。与等大型Zumbro磁透镜相比, 空间分辨能力得到显著提升。

随着虹膜识别技术的深入研究, 虹膜识别技术有望在移动支付领域被广泛运用。针对目前虹膜识别镜头体积和质量较大, 使用Zemax光学设计软体设计一款三片式非球面结构紧凑的500万像素虹膜识别镜头。该镜头工作距离是170 mm ~250 mm, F#为3, 镜头总长为4.43 mm, 光学畸变小于2%, TV畸变小于0.5%, 相对照度最低大于0.6。匹配使用APTINA公司一款0.635 cm(1/4英寸)CMOS,奈奎斯特频率为357 lp/mm,在1/2奈奎斯特频率处MTF均大于0.2, 总像素可达到500万像素。最后对镜头进行了像质评价和容差分析, 结果表明, 该镜头满足各项光学指标要求。

Offner反射式成像镜头相比于透射成像镜头具有适用波段范围宽、像差小、相对数值孔径较大、结构简单紧凑以及空间适应性良好的优点。结合空间外差技术特点和要求，给出了一种Offner成像镜头的设计方法和光路结构。该设计通过在出射光路中加入透镜改变缩放比，离轴装配消除像差的方法，可以满足空间外差光谱仪中对定域面干涉条纹进行任意比例缩放的要求。在系统要求数值孔径为0.042、缩放比为-0.86221的条件下，给出了设计实例，且点列图最大均方根半径优于1.81 μm。最后对该系统进行了像质评价和公差分析，分析结果表明其成像质量可以满足空间外差光谱仪对成像镜头的要求，在现有加工和装配水平条件下可工程化实现。

设计了一种扫描成像镜头, 镜头焦距为7.9 mm, 视场角为52°, 采用CMOS线性传感器接收。为了使镜头成本更低, 同时保证好的成像性能, 引入了塑料非球面, 设计了一个含有高次塑料非球面镜片和一个玻璃球面镜片(1G1P)的结构。相对传统三片式玻璃球面镜片(3P)的结构来讲, 1G1P结构的光学性能更好地满足了技术指标要求, 成本为3G结构的50%, 推广应用前景好。

全反射傅里叶变换成像光谱仪在航空航天遥感等领域具有重要的应用。 专门设置的柱面镜和准直系统, 使得光路结构复杂,不仅增加了成像光谱议光学设计和安装调试、维护的难度,同时也增加了成像光谱议的 重量和光能的损耗。提出了一种无成像镜实现成像光谱检测的结构,对其检测机理进行了研究。 对波长632.8 nm、940 nm和3000 nm进行光谱检测的仿真实验表明,其光谱测量误差小于1%。

针对目前国内自主研制的激光位移传感器精度低,测量范围小等问题,提出了一种采用光学设计软件预先仿真整个激光位移传感器光学系统的方法。在分析系统各部分的光学特性的基础上,结合具体要求设计了一个激光位移传感器的光学系统,其工作范围为(50±10)mm。采用系统分割的方法,将整个光学系统分为两部分进行设计,第一部分是激光束的整形透镜,要求在有效的工作范围内得到小而均匀的出射光斑,设计结果表明,在测量范围内,光斑大小能够控制在10－1mm量级;另一部分是被测面散射光接收的成像物镜,该系统的特点是物面和像面相对于光轴都有一定的角度,实验结果表明其成像满足Scheimpflug条件。