为提高星地激光通信地面接收端探测灵敏度和分辨能力，减少信标光捕获时间和难度，基于星地激光通信链路和设计方案，结合自适应光学（AO）技术，设计了一套500 mm口径的星地激光通信地面接收端系统。该系统采用库德光路、共口径分光探测形式，包含卡塞格林天线、倾斜镜精跟踪、AO超精跟踪、AO波前探测等4个单元。天线物镜组采用同轴卡塞格林结构，结合折射镜组构成开普勒望远结构，兼顾体积和长出瞳距的需求。在精跟踪倾斜镜和AO倾斜镜之间设计了4f系统，解决校正光轴时的瞳面漂移问题。在波前探测器和变形镜之间设计了双远心系统，构建两者共轭关系，降低波前探测的轴向误差影响。采用光学被动式方法对4个单元进行消热差设计，提高系统温度适应性。最终实验结果表明：在10 ℃~30 ℃范围内，各单元波像差均优于1/10λ（λ=632.8 nm），满足设计要求，具有一定借鉴价值和工程意义。

为实现微小物体的全方位高精度三维测量，构建了一种利用结构光照明的高精度三维测量系统。对系统采用的双远心镜头、相位解算方法、多投影点云融合算法等进行研究。首先利用双远心测量头采集图像数据，然后采用多频相移与互补格雷码相移两种方法进行相位解算，并分析比较两种方法在重建精度和重建效率方面的性能，最后针对特定点云噪声提出相位滤波方法、优化的统计滤波方法以及多投影点云融合匹配校正方法。实验结果表明，系统应针对不同使用场景选用不同的相位解算方法；相较于单投影双目系统，基于多投影的本系统能获取目标全貌，且平面及高度测量精度均在10 m以下；在GPU加速后，测量速度提升218倍。该系统基本满足高精度工业测量的精度高、效率高等要求。

声光可调协滤波器（AOTF）成像光谱仪可同时获取探测目标的空间图像和光谱信息，具有体积小、质量轻、中心波长挑选灵活等优势。提出一种基于AOTF成像光谱仪组合变焦光学系统设计方案并完成了主动变焦前置光学系统仿真设计。该方案由主反式变焦前置系统和具有任意放大倍数的投影系统组成，可实现大变焦范围主动变焦成像。前置光学系统的初始结构由主反式变焦系统设计理论确定，利用同轴系统的离轴解和参数优化完成离轴三反远心结构的设计和系统像差校正，构建逐步逼近优化法实现主动连续变焦。在Code V中的仿真结果表明：前置变焦系统工作波段为0.5~1.7 μm，变焦范围为260~520 mm，短焦处调制传递函数大于0.68@34 lp/mm，长焦处大于0.45@34 lp/mm，全场的均方根半径小于0.345 μm，成像质量良好。

提出了一种基于远心镜头与曲面屏的非连续镜面三维形貌测量新方法，在增加大曲率镜面成像范围的同时，提高了三维数据的测量精度。首先，在显示屏上显示标准正弦条纹图，相机分别记录经由平面参考镜和被测镜面反射的正弦条纹图像。然后，利用四步相移法和最佳三条纹选择法得到对应的相位分布值。接着，与平面参考镜比较，得到经由被测镜面物体表面调制后的相位变化。根据所建立的数学模型，推导相位与深度间对应关系，并对其系统参数进行标定。最后，对大曲率镜面和非连续镜面标准台阶进行了测量，验证了该方法的精度和有效性。

为研究聚焦系统对晶圆标识工艺的影响, 搭建以1 066 nm的声光调Q脉冲光纤激光器为光源, 分别使用普通F-Theta透镜和远心F-Theta透镜的晶圆激光打标系统, 使用相同的工艺参数分别在晶圆表面进行点阵标识, 研究两种聚焦系统下晶圆的烧蚀阈值、离焦效果和点的形貌。采用白光干涉仪对晶圆标识区域的三维形貌进行评估, 研究发现普通F-Theta透镜与远心F-Theta透镜对晶圆的烧蚀阈值的影响区别不大。在离焦效果方面, 普通F-Theta透镜随着离焦量增加, 标识点直径逐渐变小; 而远心F-Theta透镜随着离焦量增加, 标识点直径先增大后减小。在打标范围内的标识质量方面, 两者在打标范围中心的标识质量基本相当, 离中心越远, 远心透镜也未能表现出更好的标识形貌。

精密零部件的高精度三维成像是工业制造和检测的关键任务。针对现有的线激光测量系统效率慢、精度低等问题，提出了利用远心成像的线激光三维测量系统，研究了该系统的标定方法。首先，分别采集不同位置的靶标图像和激光线照射下相同位置的靶标图像，通过远心正交成像标定相机内参矩阵系数和外参位姿关系；然后，建立线激光投影平面与标定目标平面之间的几何关系，求解不同目标平面下的激光线方向矢量，进而通过最小二乘法获得光平面方程；最后，在极大似然准则下，利用Levenberg-Marquard非线性优化算法精确地计算标定参数最优解，搭建了测试系统，开发了专用标定程序。实验结果表明：在60 mm×48 mm的视场下，所设计的系统和方法可以实现优于18 μm的测量误差，能够快速准确地重建出三维形貌。

为满足全谱段高光谱成像探测一体化应用需求，开展了可见至长波红外（LWIR）共口径成像光谱仪光学设计。前置像方远心物镜采用离轴三反结构实现，利用视场分离分光和分色片分光相结合的方法实现了可见至LWIR的四谱段划分。后置光谱仪采用非对称式凸面光栅Offner结构，将中波红外（MWIR）与LWIR光谱仪的放大率设置为0.90和0.61，以满足设计指标和成像质量的要求。设计和分析结果表明：所提系统在600 km轨道高度处的幅宽为30 km；可见至短波红外（SWIR）的F数为2.6，可见/近红外（VNIR）光谱分辨率和SWIR光谱分辨率分别优于5 nm和10 nm，像元分辨率为30 m；MWIR谱段和LWIR谱段的F数分别达到2.3和1.5，光谱分辨率分别优于50 nm和100 nm，像元分辨率分别为50 m和74 m；各谱段在Nyquist频率处的调制传递函数（MTF）均接近衍射极限，谱线弯曲和色畸变均小于探测器像元尺寸的1/10。

目前的共心多尺度系统普遍存在子相机像面不稳定的问题，这一问题直接导致了在后续的图像拼接中易于出现图像拼接错位，严重影响系统成像质量。针对这一问题，提出了一种基于像方远心光路的方法，该方法提高了子相机像面的稳定性，为后续的图像拼接减轻了压力。首先对错位现象出现的原因进行了理论分析，从理论层面分析了引入像方远心光路对改善成像系统的作用，最终设计了成像性能优异的基于像方远心光路的共心多尺度成像系统，其焦距为60 mm，F数为3，远心度小于0.2 mrad，总视场为70°，各视场弥散斑半径小于所选探测器的像元尺寸，在奈奎斯特频率为108 lp/mm处各视场的调制传递函数均大于0.6。像方远心结构的共心多尺度成像系统可以从光学结构部分改善子相机像面不稳定的问题，从而提高后端图像拼接的拼接质量和拼接效率，为后续的共心多尺度系统设计提供了更多的思路和技术途径，具有重要的理论和实践意义。