为解决在高辐射环境中使用的红外热像仪，由于辐射导致其性能退化迅速的技术问题，采用二次成像两档变倍光学系统进行“L”型折叠的结构形式，设计了焦距为30/120 mm的非制冷红外双视场成像光学系统。其工作波段为8~12 μm，光学系统F数为1.1。设计结果表明，该系统结构简单紧凑、体积小、成像良好，在探测器对应的特征频率30 1p/mm处的MTF值大于0.4，满足应用需求。

从杂散光抑制与体积压缩的需求出发, 设计出具备二次成像、实出瞳的紧凑型离轴三反光学系统。给出了一种二次成像离轴三反光学系统的初始结构搭建思路, 并运用自由曲面优化系统, 依据该方法设计出了焦距130 mm、F数1.3、线视场5°×0.1°的离轴三反光学系统。系统成像质量接近衍射极限, 具有二次成像和实出瞳的杂光抑制特性, 理论上可以实现100%冷光阑效率, 具有超小F数1.3的紧凑型特点, 可用于航空航天探测等对杂光抑制要求较高的**领域。

库德式激光通信终端粗跟踪探测器大视场接收信标光时，需通过望远单元、多块库德反射镜、分光片和粗跟踪透镜组，信标光传输路径长，使得后续子光路粗跟踪支路口径明显增加; 捕获时望远单元和库德反射镜与粗跟踪探测器存在相对运动，信标光传递环节多，跟踪模型复杂。针对这两个问题，首先，对比了3种传统库德光路，选择二次成像型库德光路并对其进行设计，通过设计使后续子光路光学口径减小，利于后续子光路轻小型化设计; 随后，对二次成像型库德式激光通信终端的跟踪模型进行推导，通过反射镜矩阵和坐标变换建立跟踪模型，并用Matlab-Simulink对跟踪模型进行仿真; 最后，通过地面试验，对终端的跟踪性能进行测试，实测方位跟踪最大脱靶量为8465 μrad(3σ)、俯仰最大脱靶量为5633 μrad(3σ)，满足通信要求的150 μrad(3σ)，二次成像型库德结构和跟踪模型可满足星间激光通信粗跟踪捕获和跟踪要求。

画幅式多光谱成像技术能够同时获取多波段光谱图像数据，在材料分析及环境监控等领域有广泛应用。采用一种基于光场成像的画幅式多光谱成像方法，利用二次成像的方法将由光场成像系统获取的多光谱图像转接成像到探测器光敏面，不需微透镜阵列与探测器光敏面直接接触，避免了对探测器的损坏，同时降低了系统安装调节的难度。此外，研究了不同通道光谱信息混叠的影响因素，采用像素灰度匹配的方法获取各通道像点的矢量坐标，实现光谱通道信息的提取。在不同光强条件下对灰度进行平场校正，获取各光谱通道的归一化通光率，用以校正通道灰度误差。搭建了实验装置，对室内目标进行多光谱瞬时探测，获取了较为清晰的多光谱图像。

大视场日冕仪主要用来对215 倍太阳半径内的日冕进行全周向观测以监测太阳活动并对影响日地空间的灾害性空间天气进行预警。根据杂散光抑制要求，将大视场日冕仪的光学系统设计成外掩透射式二次成像结构，其光学系统长度为355.89 mm，视场为±20°，焦距为40 mm。将大视场日冕仪杂散光按照光强分为三级，其中一级为太阳直射光，二级为外掩体和外窗口边缘的衍射光，三级为内掩体表面反射光、物镜口径边缘的衍射光和散射杂散光。对这三级杂散光分别进行抑制后得到内视场的杂散光抑制水平为10-9量级，外视场的杂散光抑制水平为10-13量级。

根据系统要求, 进行激光与中波红外复合制导光学系统设计。该系统红外工作波长为3 μm~5 μm, 激光工作波长为1.064 μm, 系统接收口径为250 mm, F数为1.4, 要求MTF在33 lp/mm时大于0.4, 光学透过率大于60%, 使用的红外焦平面阵列像元数为640像素×512像素, 像元尺寸为15 μm×15 μm。因为系统具有大孔径, 小F数的特点, 因此选择使用折反射式结构进行二次成像, 并进行消热差处理。

设计一款实际工程应用的红外三视场光学系统，其中大中视场利用透镜组切换变倍，小视场和大视场利用反射镜切换变倍。设计中采用二次成像的方式，3个视场共用二次成像透镜组,保证100％冷屏效率，减小第1片透镜的过口径。同时，采用非球面技术校正系统的球差和彗差，通过光学设计软件CODE V仿真，得出最大的点列斑为11 μm左右，并且MTF接近衍射极限，成像质量完全满足使用要求。最后，该系统利用反射镜折叠光路实现了系统结构紧凑、体积小的特点。

提出了一种基于全景环带透镜（PAL）的全景与长焦组合成像系统设计方法。该系统由沿光轴放置的反光镜单元、长焦单元与PAL单元组成。长焦单元通过二次成像的方式与PAL单元成像于同一传感器上，其像面利用了PAL单元中央的盲区。反光镜单元可绕光轴旋转与俯仰摆动，能将全景环带像面上的任意物点放大10倍。该系统在实现360°全景探测的同时还能将重点区域实时放大，且只使用单一光学系统与传感器，弥补了PAL单元的盲区。此外该系统还可计算环带视场中物点与光学系统的距离。系统总长约300 mm，最大口径为160 mm，PAL单元视场角为360°×(30°~100°)，长焦单元视场角为±3°，两单元全视场在100 lp/mm处的调制传递函数(MTF)值均高于0.55。

基于显微摄影的成像原理，研究了像方扫描以扩大视场的途径，并建立了一个二次成像的设计模型，包括一个大视场的固定前置物镜组和一个运动轨迹为球面的中继透镜组。物镜组所成的一次像面优化了场曲，中继透镜组则根据该场曲进行运动，对一次像面不同区域成像，并采用光学被动消热差以保证不同温度的像质。该模型的相对孔径1∶3，波长3.7 μm~4.8 μm，焦距90 mm，瞬时凝视视场为±4°，扫描视场达±24°，采用7片透镜3个非球面，在全视场范围内具有接近衍射限的像质。