针对棱镜-光栅-棱镜(PGP)型成像光谱仪装调难度大的问题,通过校正PGP成像光谱仪色差的方法保证探测器像面与光轴垂直,并设计了一款宽波段复消色差的PGP系统。从宽波段复消色差理论出发,计算了三种玻璃材料组合理论色差的最小值,为光学设计的复消色差提供了理论支持。利用光学设计软件优化得到的初始结构,结果表明,PGP系统的二级光谱得到了很好的校正,且探测器的CCD无需倾斜,更方便后期装调。覆盖谱宽为400~1000 nm,视场为9.2 mm,空间分辨率优于10 μm,光谱分辨率优于2.8 nm,光学传递函数大于0.7,接近衍射极限,满足成像要求。

为满足昼夜观察的需求，设计了一款大相对孔径的可见光/近红外波段的复消色差物镜。在可见/近红外波段，分析了光学玻璃材料的色散特性，为复消色差物镜的光学设计工作提供了理论支撑。设计结果显示：选择合适的光学玻璃材料，二级光谱得到了很好的校正。物镜焦距7.4 mm，相对孔径1∶1.2，视场为44°，畸变为-0.7%，系统总长为15.5 mm。此共焦型物镜在光谱范围486~950 nm 条件下，实现了无需调焦满足昼夜观察的使用需求，可广泛应用于安防监控、车载镜头等领域。

设计了一套CCD航空相机动态分辨率检测系统, 系统入瞳直径D=200 mm, 焦距f′=2 000 mm, 视场角2ω=5°, 利用光学设计软件Zemax进行仿真, 设计结果表明, 在奈奎斯特频率为40 lp/mm的情况下, 调制传递函数曲线值均高于0.5。采用波差法校正由长焦距所引入的二级光谱, 同时, 引入分辨率尺的概念, 将每一块单独的分辨率板采用拼接的方式制作成300 mm×24 mm的分辨率尺, 令分辨率尺在电机的带动下作匀速直线运动来模拟动态目标。该测试系统的设计能够在模拟飞机飞行的状态下, 对其动态分辨率进行检测, 检测精度1″,可广泛用于测绘、**侦察和航空航天等领域。

干涉显微物镜是干涉测量显微镜的关键部件，在微纳表面三维形貌测量中应用广泛。设计了一款无限远共轭大倍率Mirau干涉显微物镜，其放大倍率为50×，数值孔径为0.5。基于系统长工作距的特性，干涉物镜采用反远距物镜结构。根据二级光谱理论，分析了干涉物镜的二级色差校正，合理选择了玻璃材料和初始结构。利用光学设计软件Code-V进行系统优化设计，设计结果表明，光学系统全视场范围内在800 lp/mm处的调制传递函数大于0.3，其他各项指标满足设计要求。通过非序列模式建模对所设计的干涉物镜进行光线追迹，仿真分析得到清晰的牛顿环干涉图，结果验证了设计的合理性。

高精度光谱可调定标光源系统是针对高光谱遥感器的高精度定标提出的一种新型参考光源，设计了一个折射式宽谱段大相对孔径的准直物镜。镜头工作在400 nm~1 000 nm波段，半视场角2.2°、相对孔径F/2.8、焦距135 mm。利用部分色散（P）和阿贝数（ν）的修正公式，基于复消像差的基本原理，获得了镜头的初始结构。借助Zemax光学设计软件进行优化设计，重点校正了系统的二级光谱。最后，在设计波段上实现了复消色差，二级光谱残余量约为0.04 mm，其他像差也得到了良好的平衡。镜头的MTFs在37 lp/mm空间频率处均大于0.8，镜头整体性能满足设计指标。

近红外波段测星已成为星敏感器的重点发展方向之一,针对近红外星敏感器使用波段宽的特点,依据消二级光谱理论中可行的两种消二级光谱方法,采用选取相对部分色散系数相同或接近、色散系数相差较大的玻璃组合的方法对近红外星敏感器光学系统进行设计。设计了一组工作波长为900 nm ~1 700 nm,F数为1.5,焦距为150 mm的光学镜头,该镜头在宽光谱范围内实现了二级光谱的校正,在空间频率等于32 lp/mm时各视场MTF均大于0.65,使系统具有良好的像质,能够满足近红外波段的测星要求。

为满足在10 000 m左右高空摄影时地面分辨率达到0.2 m的需要, 采用长焦距和折反射式光路形式设计一种高分辨率CCD航摄物镜。使用普通玻璃校正由大口径和长焦距带来的二级光谱, 且在单个像元尺寸为8 μm的36 mm×48 mm大面阵、高分辨率CCD作为接收器的条件下, 光学系统在60 lp/mm处各视场的传递函数均接近衍射极限, 满足成像质量要求, 最终实现了在470 nm~950 nm宽波段工作范围内能够进行全天侯观察与测量。

针对超光谱成像涉及光学、光谱学、机械、微电子、计算机等众多研究领域，成像光谱仪需要小型化设计的要求，设计一个超光谱复消色差的成像系统。从像差理论出发，依据典型的光学玻璃在400 nm~1 000 nm波段的色散特性，导出了消二级光谱的理论公式。针对系统指标全视场7.63°，F/#为5，焦距为60 mm，利用ZEMAX软件，对其二级光谱进行了校正设计。结果表明，在可见光和近红外波段，成像系统在60 lp/mm处的MTF均大于0.5，其他像差也达到了要求。

星敏感器是目前航天器用于确定姿态的最先进的空间姿态敏感器之一。文中针对星敏感器的特点,设计了一种星敏感器光学系统。该光学系统焦距为52.5mm,F数为1.5,视场角为12°,光谱范围为480～850nm，选取复杂化的双高斯光学结构形式及选用特殊的玻璃配对。设计的光学系统在宽谱段范围内获得了较好的成像质量,在13.4μm直径范围内能量包围达到85%,在0.85视场内各色光相对主色光的倍率色差在爱里斑直径范围内,全视场畸变小于1%,能获得准确位置坐标的恒星图片,符合星敏感相机使用要求。

针对长焦距、折反射式连续变焦望远系统的设计，提出了一种新的光学结构形式。该结构形式将可变光阑放置于球面主反射镜附近，避免了在变焦部分中使用浮动的可变光阑；然后利用二次成像结构和场镜减小变焦组元的径向尺寸，系统变焦部分仅包含变倍组与补偿组，无需前固定组与后固定组，同时无需使用特种光学材料校正二级光谱，极大降低了系统变焦部分的复杂程度。利用该光学结构形式对一台焦距600~3000 mm、最大口径300 mm、工作在可见光波段的变焦望远系统进行优化设计，该系统在60 lp/mm的调制传递函数（MTF）设计值在所有焦距和视场内均大于0.3。设计结果表明该系统像质良好、制造成本低，适用于工作在可见光波段的长焦距、变焦成像光学系统。