采用基于梯度和形状因子的网格优化方法适配能量分布并提升映射关系的可积性，在光源投影单位圆和目标面内分别进行等量初始四边形网格划分，使节点一一对应，并构建网格面积和映射关系可积性的权重评价函数。在保证所有节点位置拓扑关系不变的条件下，通过面积差场梯度和形状因子迭代调整网格分布，使映射关系满足能量分布要求同时优化可积性。基于网格优化的映射关系求解自由曲面并生成透镜，仿真所得非均匀光斑满足设计要求。该方法简化了平滑映射关系的求解过程，可以作为一种高效设计方法用于非均匀自由曲面透镜设计。

目前市面上的水下镜头以视场角小、光学总长大的镜头为主。利用超短焦距的方案，从6片玻璃镜片的初始结构出发，结合水下成像镜头的特点，设计了一款500万像素的超短焦水下广角监控镜头。其全视场为95°，焦距仅为3.1 mm，系统光学总长为32.8 mm，后工作距为5.3 mm。该镜头由隔水窗以及由4片球面镜片和2片非球面镜片（包含滤光片和光阑）所构成的透镜组组成。在水下工作时，该镜头在全视场范围内的调制传递函数在250 lp/mm频率处都在0.3以上，同时中心视场系统的光学性能接近衍射极限，配合IMX675传感器能实现良好的成像效果。通过温度和公差分析，证明该镜头能适应水温变化，满足实际生产和装配的要求。

为了解决现有含有扩展光源的照明系统能量利用率低、透镜体积大、照度不均匀等问题，根据非成像光学边缘光线理论，提出了一种适用于扩展光源的双自由曲面设计方法。利用扩展光源的左右边缘光线经过透镜折射后形成的角度差值来控制目标面的照度分布，根据设计目标参数，计算内外自由曲面离散点，拟合内外自由曲面的轮廓曲线，得到旋转对称的双自由曲面透镜。在透镜高度与光源直径之比仅为2的情况下，利用此方法，经过数值计算以及光学仿真，设计了高能量利用率、高均匀性的双自由曲面透镜。近场双自由曲面光学系统的能量利用率为99.52%，照度均匀度为95.81%；远场双自由曲面光学系统的能量利用率为99.12%，照度均匀度为93.45%。研究结果表明，所提设计方法将对含有扩展光源的照明系统设计具有指导意义。

为解决太阳直接辐射测量过程中跟踪装置导致的全年测量均匀性难以保证的关键问题、实现无需跟踪的太阳直接辐射全季全纬度均匀测量,提出了一种用于太阳直接辐射测量的自由曲面反射镜优化设计方法。分析了全球太阳直接辐射角度变化规律,建立了自由曲面反射镜初始结构模型;构建了时空尺度下辐照度均匀性(RFUS)评价函数,建立了二分进化与无余变长机制,提出了基于进化策略的自由曲面反射镜优化方法;以地球全纬度地区太阳直接辐射均匀测量为目标,迭代优化并仿真分析了染色体细分参量分别为3°,1°,0.5°,0.25°的4种代表性自由曲面反射镜面型。结果表明:染色体细分参量为0.25°时RFUS最优,为92.36%;搭建反射光斑中心位置及RFUS验证实验,所提方法得到的光斑中心最大直线距离约为1.5 mm,RFUS为90.34%,该方法可实现全时空太阳直接辐射均匀测量,为后续太阳辐射测量领域新产品和新应用提供理论基础和技术支持。

提出了一体化LED汽车前照灯光学系统设计方法，并设计出同时用于前照车灯远、近光配光的非对称双自由曲面透镜。采用变焦距椭球面反射器、非对称双自由曲面透镜对光源发出的光线进行配光，可使近光的照明宽度达到16 m。仿真结果表明，该前照灯的远光和近光各点所要求的照度值和光型均满足国标，并且光斑的色温稳定。所设计的光学系统体积为传统前照灯光学系统的一半，符合紧凑化车灯设计要求。

红外增强是提升红外成像质量、凸显目标信息的有效手段之一。利用在局部窗口内计算视觉显著图来帮助实现红外图像的增强。利用局部空间区域内的中心-周围像素灰度加权距离法衡量显著性，由此获取显著图来表征模拟人眼以赋予不同像素区域的权重; 结合视觉显著图的提取，在此基础上实现红外图像的增强; 选取几组红外图像进行实验，结合主客观评价对多种增强方法进行评估。实验结果表明，与其他方法相比，所提方法的结果具有更好地视觉效果，能凸显图像细节即目标信息，能有效实现目标与背景的对比增强。

由于正电子发射型计算机断层显像(PET)噪声较大, 现有图像降噪效果不理想, 提出了一种结合残差U-Net神经网络和深度图像先验(DIP)的PET图像降噪。在U-Net网络中引入残差学习, 提高网络表达能力和收敛速度; 提出一种无训练数据的DIP算法, 将神经网络解释为图像的参数化, 利用图像噪声参数化后呈现高阻抗的特性将其去除, 达到降噪的目的; 在BrainWeb脑部图像数据集上进行实验, 并对实验结果进行了对比分析。分析结果表明, 所提方法能够得到边缘清晰且平滑的图像, 在不同噪声等级和时间帧中, 其去噪效果均优于其他对比方法, 可获得高质量的图像。

针对Ф1.3m口径同轴四反望远镜镜头, 提出了一种有效的装调方法。主镜口径为1.3m, 采用背部双脚架（bipod）支撑形式。使用激光跟踪仪多边测量法对支撑结构精密定位, 利用Stewart机构位置反解方法进行主镜位姿的调整; 通过变换反射镜组件方位进行面形测量, 提取重力作用造成的反射镜面形误差; 利用Offner零位补偿检测光路进行基于干涉测量的反射镜定心, 实现反射镜光学基准与镜头基准的传递; 进行镜头的光轴竖直装调, 采用测试镜头像高和在线标定标准镜面形的技术手段来提高装调精度与收敛速度。镜头的中心视场波前和边缘视场波前rms分别为0.053λ（λ=0.6328μm）和0.077λ。

采用自由曲面透镜作为分束器以生成具有任意能量比的离散光斑阵列。根据能量守恒定律,将入射光束划分为一系列与光斑阵列对应的子区域。对于每个子区域,采用分离变量法计算子区域与相应光斑之间的光线映射关系,并采用最小二乘法构造遵循该映射关系的自由曲面。提供两个设计实例以检验自由曲面分束器的可行性:第一个设计可生成具有相同能量比例的高斯光斑阵列,第二个设计可产生具有预设不均匀能量比例的矩形平顶光斑阵列。仿真结果表明,考虑菲涅耳损耗后,两个设计实例的光输出比均高于89%。