研制基于楔板型分束镜的可见-红外光同步成像望远镜系统，通过优化设计分束镜楔角，抑制反射可见光鬼像产生，校正透射红外波段像差，实现对可见光波段与红外波段同时成像。对望远镜系统进行像质检测，主次镜系统RMS为0.093λ（λ=6328nm），可见光支路RMS达到0.120λ，红外光路成像质量满足要求。该系统采用卡塞格林共光路，用楔形板实现对可见光到中红外波段光线同步成像，使得宽波段望远镜设计更加轻便的同时提升装置成像性能。

光学天线在自由空间光通信系统中发送或者接收光信号, 天线结构决定系统的检测性能。详细介绍了光学天线基本结构、卡塞格伦光学天线的研究进展、无独立信标瞄准、捕获和跟踪(PAT)系统和一点对多点通信光学天线, 展望了光学天线未来的研究方向。

鉴于大口径激光雷达系统在污染物检测方面的需求, 理论设计了一种多波长激光雷达光学系统。该系统由接收主系统和光纤分束耦合部分组成, 工作波长为 355、532、1064 nm, 检测波长为 632.8 nm，接收主系统采用卡塞格林结构, 光纤分束耦合部分采用透射的形式, 引入色差。系统通光口径为 Φ680 mm, 有效焦距为 1548.53 mm, 通过对玻璃材料的选型和光焦度分配, 使用修正的相对部分色散 P 和阿贝数 V 建立消色差方程组, 用 PW 法求解初始结构。使用 Zemax 软件优化出满足要求的光学系统, 最终优化结果波前都优于 λ/15 (λ=632.8 nm), 表明设计的光学系统可用于实际生产加工中。

卡塞格林光学系统的结构严重限制了视场,通常需添加辅助光学元件来扩大视场,但将导致系统结构复杂,不利于光学系统的小型化、轻量化。提出一种计算成像设计方法,首先优化系统结构参数,控制像差;然后构建系统的点扩展函数模型;最后采用反卷积算法处理图像。所提方法仅利用主、次镜结构就扩大了卡塞格林系统的视场。对F数为5.5,焦距为470 mm的卡塞格林系统进行仿真实验,实验结果表明,在1.5°视场范围内,处理后图像的轴外视场调制传递函数在20 lp/mm处提升了约0.2,图像质量得到明显提升。

提出一种在发酵罐外部架设显微系统进行非接触式细胞观测的光电检测方案。现有倒置生物显微镜工作距不足, 并且其自身光源发散角大、能量低不足以照亮细胞, 而工作距足够的工业显微镜分辨率最小只能达到10μm, 所培育的动植物细胞大小为10~20μm, 无法获得清晰的细胞图像。为满足系统指标, 设计了一种非接触式、折反射结合的长工作距可变焦光电检测系统。系统采用卡塞格林系统和李斯特物镜结合的设计思路, 解决了折射式结构像差大的缺点。光学系统放大倍率为3~5倍, 工作距为40mm, 物方数值孔径0.18~0.3, 分辨率可达到1.17~1.96μm, 其轴上点在CCD截止频率133lp/mm处均大于0.1, 大于人眼极限分辨阈值0.05。

为了调节视场较大的卡塞格林望远镜的次镜位置, 提出了两步式灵敏度矩阵模型的计算机辅助装调方法。在分析了传统的二次模型灵敏度矩阵法的缺陷的基础上, 根据灵敏度矩阵的特点加入了精调步骤, 对传统的灵敏度矩阵法进行了改进。针对卡塞格林系统, 分析了各项泽尼克系数与失调量之间的关系, 并对 300 mm口径, 0.6°视场的卡塞格林系统进行了校正仿真。仿真结果显示, 传统的灵敏度矩阵法校正后沿 x、y、z轴偏移及绕 x、y轴倾斜的失调量的均值分别为: -0.0684 mm、-0.0892 mm、0.0015 mm、0.0498°和-0.0444°, 全视场波像差 RMS均小于 0.1λ(λ=632.8 nm); 两步式灵敏度矩阵法校正后的均值分别为 -0.0018 mm、-0.0012 mm、0.0002 mm、0.0008°和-0.0012°, 全视场 RMS均小于 0.03λ, 明显优于传统的灵敏度矩阵法。

为满足大功率激光发射的要求，提出研制一种基于卡塞格林系统的大口径激光发射的复合式无遮拦激光扩束器，消除卡塞格林系统中心遮拦，提高激光发射效率。依据卡塞格林系统原理及其结构特征，结合伽利略折射式扩束器的特点，设计一种发射口径为550 mm的复合式无遮拦激光扩束器，采用反射式扩束器和折射式扩束器结合的方式，在卡塞格林次镜中心开通孔，使中心被遮拦激光透过。后接伽利略式折射扩束器，对中心透过光束进行扩束，两光束共轴发射。对设计的新型复合扩束器进行激光透过率实验，实验结果表明，对于波长106 μm激光，透过率大于9521%，比传统卡塞格林扩束器提高2212%。