为满足目前生物医学活体成像研究领域对多波段荧光成像的迫切需求，提出并设计了一种可见光（486~656 nm）、近红外（900~1700 nm）双波段长后工作距有限远变焦光学系统。针对双波段、长后工作距变焦系统带来的色差变化范围大、组分光焦度选择受限等技术难题，通过理论分析，选择了适合该双波段系统的变焦结构，计算得到了系统4组变焦结构的初始光焦度，并利用理想近轴面验证变焦方案初始结构的可行性，在此基础上对系统每一组元进行独立像差设计，共光路部分兼顾双波段像差进行优化，后组采用分光棱镜对两个波段分光，并针对双波段设计不同的后固定组以校正系统残余像差，同时实现长后工作距下的双波段成像。系统公差特性良好，变焦曲线平滑无拐点，变倍过程中像面稳定，成像质量良好。

扩束是超高峰值功率激光装置中必不可少的一环,由离轴抛物面镜组成的反射式扩束系统可解决传统透射式扩束带来的色散、色差及激光脉冲前沿畸变等问题。利用光线追迹法和惠更斯-菲涅耳原理对反射式扩束和聚焦过程进行分析,计算了在反射式扩束系统参数不同时,离轴抛物面镜失调对激光脉冲远场时空特性的影响,给出了激光脉冲斯特列尔比和峰值强度的误差允许范围。

提出一种基于视觉密码的远距离光学信息认证系统。该系统可将远处的视觉密钥通过望远镜系统与系统内的视觉密钥配对实现非相干叠加以完成认证操作,减少了共享密钥的人为传递过程,也解决了实际应用中密钥携带运输不方便的问题。而且,在整个提取过程中视场受限于系统,仅操作者能在系统内看见认证信息,其他人即便在附近也无法查看,加强了信息显示和复现的安全性。认证的过程仅需要操作者将两块共享密钥仔细对准即可,无需其他的光学和密码学知识,整个过程简单高效。此外,光学实验也证明了该系统可应用于实际且具有很高的安全性。

高分辨率需求牵引极紫外光刻(EUVL)投影物镜向高数值孔径(NA)、自由曲面设计形式发展。传统的非球面EUVL物镜设计难以在高数值孔径下兼顾校正像差的需求, 往往造成遮拦, 破坏成像对比度。提出了一种高NA无遮拦自由曲面EUVL物镜设计方法。依据物镜形态参数判别引入自由曲面的最佳位置, 能够有效校正系统像差, 在不影响成像性能的情况下增大系统NA。应用该方法设计了一套高NA自由曲面EUVL投影物镜(PO)。与初始非球面物镜相比, 通过增加四面自由曲面, 将物镜数值孔径从0.3增大至0.35, 波像差均方根(RMS)值从1 nm减小至0.4 nm, 整个系统光路无遮拦。设计结果表明: 该方法有效提高了自由曲面EUVL物镜设计效率, 在不产生遮拦的情况下, 不但增大了系统NA且减小了系统波像差, 提高了物镜整体性能。

杂散光抑制能力是光学系统的重要评价指标.红外光学系统不仅受到外部杂散光影响, 而且受到仪器内部杂散光影响.传统的“物-像”共轭光学系统的设计方法未能全面考虑杂散光的抑制问题.提出一种三重共轭光学系统的设计方法, 该方法设计出的光学系统具有“物-像”、“物-中间像”和“入瞳-出瞳”三重共轭关系, 具有同时抑制内部和外部杂散光的能力.基于该方法设计出一种离轴三反射式消像散光学系统, 该系统F/#=4、一维线视场7°, 离轴5度视场外点源透过率低于5×10-4, 系统冷屏效率达到96%, 并获得良好的在轨图像.

提出一种基于分步法控制纵向视场角的改进方法, 可以快速实现LED横纵向小视场角矩形均匀照明。通过设计三个轮廓线可以快速构造三个光学曲面, 基于光学曲面构造折射透镜和紧邻的反射器组成光学系统。系统仿真结果表明, 当光源距透镜内曲面尺寸与光源尺寸的比值大于6时, 光束横向视场角不超过1°, 纵向视场角不超过2.6°, 且照明均匀性大于0.75。该方法为具有小视场角矩形均匀照明要求的光学系统提供了一种有效途径。

二次光学是直接决定舞台灯的输出效率、均匀度的重要环节。绿色环保的舞台照明要求LED舞台灯能够在增加总光通量的前提下，于30 m远处，形成一个4~6 m的均匀圆形光斑。而目前市场上的LED舞台灯在远距离的照明方面，不论是输出效率还是光斑的均匀性，都难以满足舞台照明的需求。设计了一种照明设计的模型，可以实现较高的输出功率和较均匀的圆形光斑。采用匀光棒、反光棱镜和反光碗的组合，可以比较好地实现远距离的照明要求。且该模型易于加工，最终的输出效率可以达到26%左右。