为实现真空100 K低温环境中的红外设备测试，设计了一种离轴三反式的准直系统。该系统采用无热化设计，整机结构选用SiC材料，在镜体与支撑结构连接处采用C形开口胀销作为柔性结构，补偿连接结构的低温变形。系统整体除反射镜外，其余部分全部包裹在低温辐射冷板内。低热导绝热支撑结构在热传导链中起热屏蔽作用，实现系统的绝热支撑和快速制冷。在100 K低温环境下对单镜进行仿真分析，主、次、三镜的面形误差均小于λ/50；整机分析得到主、次、三镜的面形误差均不大于λ/30。常温下系统各个视场波前差在λ/14~λ/8内，低温下系统视场波前差在λ/8~λ/7内，根据瑞利判据可认为波面无缺陷。当λ=632.8 nm时，常温下系统在50 lp/mm频率的调制传递函数（Modulation Transfer Function，MTF）大于0.7；低温下的MTF大于0.6，满足系统在50 lp/mm MTF大于0.6的使用要求。仿真结果表明，准直系统可以在100 K真空环境中稳定输出平行光，满足低温红外设备的测试需求。在快速辐射制冷材料级实验中，历经18 h，温度稳定在130 K；历经30 h，SiC镜坯温度稳定在110 K。该实验验证了SiC反射镜快速辐射制冷的可行性。

照明系统是增强现实光学系统的重要组成部分，其体积、照度均匀性、能量利用率直接影响增强现实照明系统的质量，因此在照明系统中对光源二次配光非常重要。针对增强现实系统的自由曲面透镜形式和照明系统开展研究，重点分析准直系统集光角度与体积的对应关系，在对光源准直系统的面型构建详细分析基础上，对中心透射边缘反射的折反射式准直系统的面型进行求解，结合偏微分方程法和划分网格法，设计了自由曲面透镜，该系统与偏振分光棱镜共同组成硅基液晶（liquid crystal on silicon，LCoS）照明系统。仿真分析结果表明：系统照度均匀性达到91.96%，若不计偏振影响，照明系统光学效率达到66.6%。该系统具有结构简单紧凑、体积小、质量轻、照度均匀性高等特点，满足增强现实眼镜的需求。

在光电成像系统中，动态调制传递函数受到光学系统波像差、探测组件信号分辨率及传递特性以及载体运动引起图像模糊等环节对图像质量的综合影响，成为光电成像系统的重要参数之一。论文基于光电成像系统动静态调制传递函数的测试原理，研制一种动态调制传递函数测量装置，其中光学准直系统焦距为10 000 mm，运动目标速度控制范围达到30 mm/s～5 000 mm/s，满足长焦距光电成像系统的动态调制传递函数测试。利用该装置进行了一系列的实验研究，结果表明，动态调制传递函数测量重复性优于0.01，测量不确定度达到U=0.05（k=2）。

为了满足激光**对光束质量日益增长的需求，提出了一种光学准直系统的设计思路及非球面镜优化方法，并将该方法成功应用于一款激光热灼枪的镜头设计，使该枪可以在更远范围内获得更高质量的准直光束。首先在战技参数分析和光路计算的基础上得到初始结构，而后对其进行非球面优化，并基于ZEMAX对两次仿真结果做出对比分析，数值结果显示优化结构具有显著优势，其非球系数和曲率半径分别为0.584 mm和115.37 mm，光能利用率在使用GB 1316-88减反射膜的情况下可达99.92%。经过公差分析后加工出镜头并与枪体组合进行了木板烧蚀实验，实验与仿真结果吻合度良好，镜头性能的优越性证明了所提出设计及优化方法的可行性与合理性，也为其他领域的类似问题提供了一定的参考价值。