在高分辨力光学系统中, 光学元件偏心引起的光学系统初级像差特性已经成为系统设计和装调必须要考虑的因素, 文中拟从分析透镜横向失调量对像差影响的基础上, 提出了一种考虑像差特性影响的光学零件装调校正方法。在考虑光学元件偏心对像差的影响的情况下, 推导了光瞳中心位置和像面中心位置随透镜偏心程度的变化, 建立了光学系统失调校正量和像差增量之间的数学关系, 提出了一种基于像差理论的透射式光学系统横向失调校正方法, 可以弥补现有高斯光学校正方法的不足。以三透镜准直系统为例, 利用ZEMAX软件仿真验证了文中方法的有效性, 实验表明该方法所选择的调整方案在所有调整方案中引起的像差增量最小, 降低了校正过程中对光学系统成像质量的影响。

为了揭示高数值孔径光学系统在多重初级像差共同作用时受到的影响, 基于衍射理论, 研究了多重初级像差, 特别是彗差、象散和球差对汇聚高斯光束的影响效果.通过数值模拟计算, 获得了在彗差、象散和球差共同作用下, 汇聚高斯光束在焦平面处光斑的光强分布, 发现多重像差对聚焦光斑的影响并非各单像差影响效果的简单叠加.通过对高数值孔径光学系统激光焦斑的实际测量, 发现其光强分布特点与数值模拟结果具有高度的一致性.研究结果对于评估与分析实际的光学系统具有一定的指导意义.

随着航天遥感需求的不断提高，光学遥感器的口径越来越大，光学元件的支撑和重力变形对光学系统的影响难以消除，因此需要在轨调整光学元件位置变量，来补偿主镜面形误差引起的系统光学性能的下降。以一个大口径同轴三反射式光学系统为例，在理论上分析了次镜的倾斜、偏心和轴向位置引起的初级像差的变化，得出次镜的在轨补偿能力。利用Zernike多项式模拟主镜面形误差，通过调整次镜的位置自由度，分别补偿主镜的球差、彗差和像散，给出了仿真结果，并进行了工程可实现性分析。结果表明，次镜的位置自由度调整能够补偿主镜的彗差，并能够补偿一定量的像散，但是只能补偿小量球差。

角向偏振光经深聚焦得到的轴对称环状光斑在粒子捕获和高分辨率成像等领域有重要应用，但是实际的深聚焦系统必然存在一些像差。基于Richards-Wolf矢量衍射积分理论，利用数值方法具体分析了五种初级像差对角向偏振光深聚焦场光强分布的影响。结果表明：球差、场曲不会破坏会聚场关于光轴旋转对称的特性，在实际焦面上仍可得到较为紧凑的中空光斑；畸变仅使焦面上的中空光斑位置发生偏移，但不改变其形状；像散会拉长中空光斑；彗差使光强向中空光斑的一边偏移，当彗差系数较大时，光斑中空特性消失。

针对光学系统像差的判定问题, 提出从理论上对各种像差的剪切干涉图样进行仿真分析。此分析依据波像差理论, 结合剪切干涉在像差测量中的应用, 建立波像差与干涉条纹的联系, 采用计算机仿真手段对光学系统各种像差的典型剪切干涉图样进行了模拟, 包括初级像差和二级像差。仿真结果表明, 各种初级像差和二级像差均有其各自的典型剪切干涉图样, 根据特征图样可以直接判定主要的像差种类。研究所得出的各种像差典型干涉图可为判断光学系统存在哪种像差提供参考与依据。

目前国内用于激光标刻机的f-theta镜头的视场角一般小于60°。采用望远镜结构，利用视觉放大率增大视场角，得到了超广角90°镜头。该方法具有简洁、可靠、易实现等特点。通过初级像差分析，确定系统的初级结构参数，利用ZEMAX软件优化得到了大工作面为285 mm的f-theta镜头，镜头线性畸变误差值不超过1 %，在半径为698 μm的圆内，能量集中度为80%，聚焦性能接近衍射极限。

基于初级像差理论提出了一种降低系统公差灵敏度的方法，即通过控制光学系统各元件表面的初级像差值以“小像差互补”达到像差平衡。首先阐明“小像差互补”含义，然后通过理论公式指出了初级像差与公差灵敏度的关系，最后举出一个航空相机光学系统的设计实例，通过对其“大像差互补”与“小像差互补”两种设计结果进行公差分析，结果表明利用“小像差互补”理念设计的光学系统使得公差分配宽松，提高了系统的稳定性，极大的降低了成本。

主要介绍了一种基于赛德尔像差理论的机械补偿型三反变焦系统的设计方法。这种方法的优点在于，通过对初级像差方程组进行约束优化，可以得到满足要求的部分初始结构参数，设计实例的结果表明了这种方法的可行性。同时指出了上述方法的局限性以及进行无遮拦反射变焦系统设计的必要性，并做了新的设计理论探讨，给出了去除系统遮拦同时矫正像差的方法。

根据初级像差理论广泛研究了由左手性介质构造的平板透镜系统的赛德尔像差特性．由初级像差加和定理推导了适合于这种系统的赛德尔和数公式，并指出了寻找消赛德尔像差的平板透镜系统的方法．作为两个特例，分别讨论了消赛德尔像差的左手性介质单透镜和双胶合透镜系统．

为了形成与中国传统光学设计体系相街接的折衍混合光学设计的理论和方法，研究了PWC表示的折衍混合薄透镜系统初级像差理论，建立了赛德尔像差和数与P、W、C的函数关系，以及∞、∞、∞与衍射透镜结构的函数关系。采用PWC表示的初级像差理论和高折射率设计方法，获得了折衍混合消色差李斯特型中倍显微物镜的初始结构，结果表明其赛德尔像差和数的理论值与设计值相吻合，从而验证了折衍混合光学系统PWC表示的初级像差理论和高折射率设计方法。优化设计结果与传统李斯特型物镜相比较，具有更长的工作距，且像质显著提高，由于前组为单片塑料透镜，有利于批量生产。