针对红外探测器件大阵面技术缺乏、单孔径红外探测系统难以兼顾大视场和高分辨率等问题，设计了一种基于压缩感知技术的红外大视场高分辨成像系统。该系统由成像物镜和中继透镜组成，成像物镜对场景进行大视场高分辨率一次成像，一次成像的像面经空间光调制板的调制后由中继透镜二次成像在探测器阵列，利用图像重建算法可将探测器阵列接收的图像进行恢复。设计结果显示，所提系统的工作波段为3.8~4.8 μm，成像物镜具有F/1.999的大数值孔径，视场为±16°，像元数达到1280×1024，中继透镜像元数达到640×512，成像质量完全匹配所选的探测器阵列。此外，对比现有红外单孔径探测系统，所设计的系统具有大视场、高分辨、结构简单紧凑等优势，在航空遥感探测领域具有较大的应用前景。

提出了一种快速计算光学系统像面照度均匀性的算法，通过近似算法计算系统数值孔径，并利用出射光瞳数值孔径表征像面照度。利用该算法计算光场不均匀性，将其作为自动优化过程中的评价函数之一，优化设计光刻机照明系统中继镜组。通过Light tools软件对设计的中继镜组进行仿真验证，结果表明不同相干因子照明下掩膜面上的光场不均匀性均小于0.5%。通过实验测试了设计的中继镜组的积分均匀性，结果表明各相干因子下，光场不均匀性小于1.21%，能够满足掩膜面上光场不均匀性的指标需求（< 1.5%），验证了该快速评估算法可有效应用于中继镜组优化设计中。

研究离轴照明的系统中,光学表面环带中频面形误差对于照明光场均匀性和半影宽度的影响。推导了二极照明下中频面形误差的峰谷(PV)值和系统的相干因子对线扩展函数(LSF)分布的解析关系,并通过数值计算分析了二极照明下,中频面形误差对照明镜组线扩展函数的影响。阐述了中频面形误差降低照明光场的均匀性和增大半影宽度的理论机制。利用实际制造的面形数据结合商用光学设计软件对光刻机照明系统中照明镜组进行仿真。结果表明,这种仿真方法可以快速评估中频面形误差对照明光场和半影宽度的影响,在设计阶段使用实际制造的面形对系统进行仿真,为光学设计和光学加工公差分配提供了理论依据。

针对光刻机照明系统的实际应用需求,提出了一种光瞳特性参数的评估算法。该算法通过对光瞳强度分布进行转换,可以在不同照明模式下同时计算光瞳椭圆度、X方向光瞳极平衡性、Y方向光瞳极平衡性和四象限光瞳极平衡性等多种光瞳特性参数。以一种28 nm节点扫描光刻机照明系统的中继镜组为实例,对其在传统照明模式下进行光瞳特性参数计算分析。仿真结果显示,全视场光瞳椭圆度最大值为0.95%,X方向和Y方向光瞳极平衡性最大值分别为0.18%和0.19%,四象限光瞳极平衡性最大值为0.66%,均满足28 nm节点扫描光刻机实际指标需求。所提算法在光学设计阶段能快速评估光瞳性能。

为了满足瞄准镜体积小、重量轻的要求, 需要物镜采用摄远型结构。分析了摄远型透镜转像式物镜的光学特性与像差特点, 提出了摄远型镜组、正场镜和对称式转像镜组构成的结构型式。依据系统的成像特性, 推导了光焦度分配和外形尺寸计算公式。采用光学设计软件Zemax设计了摄远型透镜转像式物镜, 系统焦距为-100 mm, 入瞳直径为25 mm, 视场角为8°, 系统总长仅为99.92 mm。设计结果表明, 采用该方法设计的瞄准镜物镜在40 lp/mm处各个视场的调制传递函数均在0.2以上, 满足目视光学仪器的使用要求。

设计了一种基于液晶可调谐滤光片(Liquid Crystal Tunable Filter, LCTF)的新型多光谱成像光学系统。该光学系统工作谱段为400~720 nm,光谱分辨率为10 nm,可对216 mm×216 mm幅面大小的物面成像清晰。根据多光谱成像系统的总体方案,对光学系统分析,确定各光学参数,设计结果表明,成像系统在空间频率91 lp/mm处,各个波段处的轴上和轴外调制传递函数均大于0.3,全视场畸变低于0.1%,成像质量良好,可以满足多光谱成像的总体要求。

提出了一种将全景成像系统应用到大气临边探测的光学系统设计方案。 首先考虑到特殊的工作波段以及创新性应用, 根据应用技术指标, 在传统全景环形透镜的基础上, 结合探测器尺寸限制, 精细调整四个球面的曲率半径, 以便得到最佳光学传递函数。 然后基于像差理论设计中继镜组系统, 补偿全景环形透镜产生的像差, 采用折射率n以及阿贝常数ν不同的双分离的正负透镜组合, 负透镜采用熔石英, 正透镜采用氟化钙, 从而使色差最小。 最后运用CODE-V光学设计软件对系统进行优化, 列出重要的公差参数, 为后续加工装调提出要求。 优化结果表明, 光学系统在各个视场的光学传递函数均达到了07以上, 各视场能量集中度为80%的弥散圆直径均小于11 μm, 完全满足设计指标要求, 也证明了将全景环形成像系统应用到紫外波段大气临边探测的方案是可行的。

研制了一种激光共焦扫描显微内窥镜，采用望远式显微内窥光学系统，同时实现长距离的图像中继传输、远心f-theta光学扫描和显微内窥成像功能.二维共焦扫描由双振镜实现，低噪音扫描控制信号由嵌入式系统产生.为实现便携式应用，激光共焦扫描显微内窥镜采用小型化设计方案.首先，体内的显微内窥成像光学系统，外径尺寸为8 mm，工作长度为250.3 mm，可通过标准腹腔镜手术孔进行体内显微内窥成像；其次，采用3 mm通光孔径的小尺寸平面反射镜实现体外共焦扫描，摆动频率为100 Hz，实现快速共焦扫描；最后，激光控制和荧光探测仅通过电缆和光纤与共焦扫描显微内窥镜前端连接，减小了显微内窥镜的前端尺寸和重量.通过实验验证，本系统的成像视场为φ 600 μm，光学分辨率为2.2 μm，可采用手持式或者其他方式工作，进行体内组织的共焦扫描成像，实现微创、在体的荧光显微内窥术.

液晶可调谐滤光片（LCTF）是多光谱成像中一种高效的分光元件，但其物理尺寸超出了一般商业镜头的法兰距，很难直接与商业镜头及工业相机结合进行多光谱成像。设计了一种工作在单位放大率下的中继成像系统，用以适应它们的接口关系。其工作波段为400~720 nm，工作F数为4.5，利用完全对称的结构，自动校正彗差、畸变和垂轴色差，设计结果满足多光谱成像的使用要求。该系统结构紧凑，生产成本低，适用于液晶可调谐滤光片型便携式多光谱成像仪的模块化设计。