光源建模方法是光学仿真算法的核心之一，决定了仿真结果的精度。然而对任意面型的光源建模难度高，建模方法很少被公开讨论。本研究系统地介绍曲面光源建模方法。基于均匀性假设，对曲面光源的空间特性、方向特性进行统计学描述，给出采样光线参数应满足的概率密度函数和采样方法。对两个曲面光源实例进行建模，当采样光线数量在10⁷量级时，建模结果在指定接收器上形成的辐照度分布与理论值间最大相对偏差在1%之内，建模精度很高。同时，分析了两种采样方法对曲面光源建模精度和速度的影响，可为曲面光源建模过程提供一定指导。

对星载仪器的回传数据进行分析，发现空间场景不均匀现象会造成光谱响应函数（ISRF）的“漂移”，从而影响探测数据精度。提出通过光学元件平衡了ISRF“漂移”的问题——狭缝匀光器。概述了光线在狭缝匀光器中的传播过程，建立了合理的光学模型，利用近场衍射原理解释其传播过程并分析了狭缝匀光器的光学特性。整个狭缝模型由数学软件和光学软件进行仿真模拟及数理分析，得到狭缝匀光器匀光效果的具象表示。通过光学模型表示了入瞳场景与狭缝匀光器匀光效果之间关联，研究不同入瞳场景中痕量气体排放点位置和覆盖面积的不同对狭缝匀光器提升探测精度的影响，量化了不同入瞳场景下光谱仪系统ISRF的变化，并提出一种提高探测精度的方法。

激光外差光谱（LHS）系统具有光谱分辨率高、探测灵敏度高和体积小等特点，在高分辨率太阳光谱和整层大气透过率测量等应用中受到关注。以3.93 μm分布反馈式带间级联激光器（DFB-ICL）作为本振光源搭建了激光外差光谱测量系统，以太阳光作为信号光，利用Zemax光学仿真软件对太阳光与激光的耦合进行设计和仿真。基于开普勒望远镜原理设计了太阳光整形结构。光斑整形后有效提高了外差耦合效率，将系统信噪比提高至162.1，比无整形条件下获得的信噪比提高了一倍。利用搭建的激光外差系统实测了合肥地区整层大气N₂O吸收光谱，采用最优估算法反演了N₂O的柱浓度，均值为0.311×10^-6，反演结果与EM27/SUN的实测结果进行比较，两种方式获得的N₂O柱浓度相关性为0.856。测量结果表明，激光外差光谱测量系统的光学结构经设计和优化后，光学耦合效率和系统信噪比均得到有效提升，基于实测太阳光谱反演获得的N₂O柱浓度也与商用仪器观测结果具有较好的一致性。

建立了具有伞状吸收层结构的微测辐射热计探测单元的红外吸收模型。基于光学导纳矩阵法和阻抗匹配理论, 采用三维电磁仿真软件CST, 对伞状结构不同开孔尺寸和形状下模型的红外吸收特性进行了分析。结果表明, 双层伞状开孔微测辐射热计光学性能与伞状结构开孔大小有密切的关系。该伞状微测辐射热计中引入开孔后, 在保持较高的红外吸收特性的基础上, 减少了探测单元热容, 从而提升了器件响应速度。最终所得探测单元在8~14μm红外波段内的平均吸收率为85%, 满足超大规模小像元非致冷红外焦平面探测器的设计要求。

大气黑碳气溶胶具有强吸光能力，由于形状和混合结构十分复杂，其光学特性具有较大不确定性。使用三维仿真建模工具EMBS建立不同分形维数（D_f为1.8和2.6）和混合结构的黑碳单颗粒模型，采用耦合离散偶极近似（DDA）方法计算光吸收强度（E_abs）、单次散射反照率（SSA）和光吸收截面（C_abs），并与多球T矩阵（MSTM）和Mie散射方法的计算结果进行对比。研究发现MSTM模型的E_abs结果对包裹程度F比较敏感，而DDA模型的E_abs结果对黑碳包裹层厚度的敏感性更高。DDA和MSTM模拟结果的差异主要来源于：1）DDA和MSTM方法中黑碳聚集体和包裹层形状的差异造成E_abs和C_abs的相对偏差分别为20%和23%；2）黑碳包裹层的相对位置变化导致光学结果具有2%~4%的相对偏差。因此DDA和MSTM方法的模型形状和结构差异导致光学模拟结果可能出现较大差异。

透射式光学系统中透镜中心偏误差的存在, 影响了光学系统的共轴性, 从而产生了偏心像差, 影响了成像质量。非球面透镜的应用可以减少光学系统的像差, 越来越被广泛使用。为了研究非球面透镜和球面透镜的中心偏误差带来的系统偏心像差的差异, 提出了一种最佳光轴拟合对光学系统中心偏误差分析的方法。结合塞德尔多项式, 利用Zemax软件对系统加入失调参量, 引出相同中心偏误差对球面和非球面系统像差影响的差异。研究结果表明, 非球面透镜的中心偏误差引起的光学系统像差较大。相较于球面透镜, 在非球面透镜的加工制造过程中, 要更加严格地控制其中心偏误差。