针对光学相关器的技术指标，对其光学系统进行小型化设计。傅里叶透镜组与准直扩束系统均采用摄远型式结构，在满足其长焦距的前提下缩短了系统的光学筒长；采用直角反射棱镜折叠空间光路充分利用空间，使系统布局更紧凑；利用计算机辅助设计软件ZEMAX对光学系统结构进行优化，最后研制出的小型化透射式光学相关器总长在150 mm以内，总宽在130 mm以内，实现了小型化目的。改进后的光学系统结构为双光路处理结构，具有实时性强的优点。经实验验证，该装置具有较好的相关探测性能，并且噪声小、探测精度高。

针对光学全息再现像质较差，本文提出四片式近似全对称傅里叶变换透镜的设计。该设计根据电寻址液晶和 CCD对傅里叶变换透镜的匹配要求确定设计参数。为了缩短总长，系统采用双远距结构 , 并利用 ZEMAX自动设计软件进行优化设计。将设计结果应用于实验，获得了清晰的光学全息再现像。实验结果表明，该设计的各项指标与实验系统相匹配，具有结构简单，像质好，满足较大孔径和视场要求等优点。

为了测量由于卫星姿态不稳定或振动等原因引起的空间相机亚像元像移,设计了基于联合变换相关器的像移测量试验系统,提出了像移测量方法。阐述了该测量方法的数学原理,给出了面阵CCD的安装位置以及输入图像序列的获取方法。根据相关参数确定了试验系统的傅里叶透镜结构和参数,最终设计了试验系统。应用线性插值和像元合并方法获得具有亚像元像移的输入图像。试验结果表明,像移测量的精度不随景物的内容而变化,测量得到的像移误差均方根值＜0.2 pixel。

全息光盘存储(HDS)技术作为一种非常具有潜力的新型信息存储技术, 是下一代光盘发展的目标。在全息光盘存储系统中, 为了实现数据精确快速地写入和读出, 降低误码率, 需要在整个高分辨率页面上实现空间光调制器(SLM)与光电阵列耦合器(CCD)之间1∶1像素匹配。在体全息存储理论和光学设计理论基础上, 研究实现SLM和CCD像素1∶1匹配的方法, 提出了实现像素匹配的要求和条件, 并且按照此要求完成该全息光盘存储器的光学系统。实验中, 分别使用随机数据掩膜版和SLM实现了对CCD的512×512精确像素匹配, 在光学系统中引入存储介质条件下, 图像质量良好, 掩膜版和SLM原始误码率分别为2.5×10-4和1.5×10-4。

在研究傅里叶变换透镜理论的基础上,根据某微粒子观测实验的要求和几何光学像差理论,得出了高分辨率傅里叶透镜的初始参数,分析了系统的消像差方法,并应用ZEMAX软件设计了满足要求的工作波长为532 nm的傅里叶变换透镜.在光机结构设计中,为减少外界环境对成像质量的影响,在频谱面处设计了光阑和低真空腔.工程分析和实验结果表明,抽真空引起的光学间距变化对该系统的成像质量基本没有影响,用目视显微镜法检测系统的分辨率为2.81μm.该系统可以保持12 h的低真空(100Pa以下),并且已成功应用于某微粒子观测实验.

以往联合变换相关器的光学系统结构是一支光路反馈,实时性差且体积大.针对其缺点,设计了一种具有双光路的联合变换相关器.其中,最主要的特点是傅里叶透镜组与准直扩束系统共用同一片正透镜.改进后的装置可以清晰地探测到相关点,并具有体积小的特点.

将两块漫射板分别置于输入面的两侧，使物光和参考光同光轴，可以使体全息存储傅里叶变换光学系统更为紧凑。然而，在这种全息存储光学系统中，物光和参考光的总数值孔径较物光数值孔径大很多。分析这种体全息存储光学系统物光和参考光光路的设计要求和光学参量的确定；采用多重结构方法对物光正向光路、逆向光路和参考光光路同时优化设计，实现对物光光路二对物像共扼位置控制像差，并满足参考光光路的要求；给出前后组焦距分别为33 mm和30 mm的物光和参考光同光轴，前工作距为30 mm，物光和参考光总数值孔径为0.53的全息存储光学系统的设计结果。系统的波像差小于0.071λ，达到衍射极限。