在水导激光加工中, 聚焦激光与微细水束的耦合对准效果是实现水导激光稳定加工的关键。为了提高水导激光的耦合对准精度, 提出了一种新的耦合对准方法, 即采用一种双透镜离轴光学系统, 系统中一透镜进行轴向移动从而调节束腰轴向位置, 另一透镜与喷嘴一起进行径向移动从而调节束腰径向位置。该方法可以有效提高对准装置的分辨率, 从而实现高精度的耦合对准。对该方法进行了理论分析, 并根据理论分析进行了实验装置的设计。实验结果表明该方法将耦合对准装置的径向分辨率提高了5倍, 与预期设计相符。应用该方法成功将激光耦合进入直径100 μm的喷嘴中实现水导激光加工, 该方法也是离轴光学系统的一个创新应用。

针对头盔显示器质量小、尺寸合适及结构紧凑方面的需求, 利用离轴折/反射式原理设计一款头盔显示器光学系统, 采用单片式自由曲面棱镜解决出瞳直径小的问题。设计的系统参数如下：出瞳直径8 mm, 视场角20°(H)×15°(V),出瞳距离20 mm, 配合0.47 in的OLED-XLTM显示屏, 显示区域9.6 mm×7.2 mm, 像素数640 pixel×480 pixel, 像元尺寸15 μm×15 μm。采用单个元件设计, 体积小于13 mm×25 mm×17 mm, 所用材料为K26R, 在30 lp/mm时全视场调制传递函数大于0.25。该系统采用单个元件设计, 兼顾成像质量的同时, 使光学系统的体积和质量更小。

针对离轴反射光学系统的精密装调问题, 提出了一种高精度空间交互测量以及基准传递系统, 可实现调焦角度与系统光轴的高精度角度定位。该系统口径为450 mm, 可实现0.5 km至无穷远的调焦, 调焦角度精确定位后, 只需调整无穷远处离轴三反光学系统的波像差满足要求, 即可保证系统各个调焦位置处的波像差均满足设计要求, 大大提高了装调效率。装调实验结果表明, 无穷远处系统的波像差结果为0.09λ, 1.5 km处系统的波像差为0.1λ, 2.5 km处系统的波像差为0.11λ, 0.5 km处系统的波像差为0.2λ, 均优于设计要求。

介绍了一种基于像差理论的离轴三反光学系统初始结构的求解方法，使用此方法设计了一个适用于空间遥感系统的离轴三反光学系统。该系统的工作波段为7.7~10.3 μm，焦距为1000 mm，系统F数为2，视场角为1°，给出了其具体的优化过程并进行了性能分析。设计结果表明,该系统满足空间遥感光学系统要求的长焦距、大口径、成像良好、结构紧凑等特点，验证了该方法的正确性和可行性。

针对某型号头盔显示器光学系统的封装要求，研究了光学镜片的加工、检测及装配工艺特点，提出了一种能很好解决离轴光学系统装配难题的方法，并结合现代制造工艺水平，设计了相应的五自由度装调设备。经误差分析及控制系统对导轨误差的主动补偿，设备的角度调整精度为3.15″，位移调整精度约为1 μm。光学镜筒采用曲面造型，为薄壁对开式结构。选用铝合金材料，装配完成后单个镜筒总质量195 g，最大应力为1.5 MPa，最大变形0.3 μm，满足设计要求。

The physical meaning and essence of Fresnel numbers are discussed, and two definitions of these numbers for offaxis optical systems are proposed. The universal Fresnel number is found to be N=(a2/λz)*C1+C2. The Rayleigh–Sommerfeld nonparaxial diffraction formula states that a simple analytical formula for the nonparaxial intensity distribution after a circular aperture can be obtained. Theoretical derivations and numerical calculations reveal that the first correction factor C1 is equal to cosθ and the second factor C2 is a function of the incident wavefront and the shape of the diffractive aperture. Finally, some diffraction phenomena in off-axis optical systems are explained by the off-axis Fresnel number.