为了实现激光投影仪器或系统的自动聚焦, 研究搭建了激光动态聚焦系统。该系统可依据背向反射光强信号的变化调节聚焦系统的镜组间距, 使激光扫描投影系统能够在不同距离的投影面上聚焦出最小光斑, 从而提高系统的定位精度。根据激光动态自聚焦系统的原理, 设计了光学杠杆型和反远距型2种动态自聚焦方案, 并推导出相应的数学模型; 利用ZEMAX光学设计软件进行仿真实验, 通过比较得出响应更加灵敏、结构更加合理的自聚焦系统; 搭建新型自聚焦激光扫描投影系统对动态自聚焦性能进行了验证。实验结果表明: 反远距型动态自聚焦系统更加合理, 在4.5 m处的投影面上, 汇聚光斑直径最优可达0.2 mm, 可使激光扫描投影仪在进行辅助装配时的定位准确度提高至0.1 mm, 能够达到先进制造装配工程中零部件的精准定位要求。

为了解决三维测量仪器的小型化问题,设计了一种数字投影结构光三维测量仪光路结构,并用Zemax软件进行了性能优化。该结构分为投影光路和照相光路,投影镜头采用反远距结构,由5片透镜组成,全视场调制传递函数大于0.35。照相镜头采用双高斯结构,由6片透镜组成,全视场调制传递函数大于0.12。两镜头口径均小于14 mm,长度小于40 mm,像面照度均大于90%,可以对80~120 mm远的物体进行测量。投影图像像素密度为1 028×768,相机拍摄图像像素密度为1 280×960,在工作距离100 mm处可以测量28 mm×21 mm的表面。镜头全部采用球面透镜。该结构具有测量精度高、成本低、加工容易、体积小等优点。

为设计一款可用于不同规格的投影机的通用型短焦投影镜头，整合了应用较为广泛的几款主流机型的光学特征参数，以不同机型内部光学引擎的的不同尺寸的分色合色棱镜作为镜头的一部分，建立多重结构，并根据不同机型参数合理确定了镜头的像高、分辨率、后工作距等设计指标，设计了一款短焦投影镜头，可用于0.63英寸(1.6 cm)~0.8英寸(2.03 cm)芯片且基于单DMD或3LCD技术的投影机，投射比为0.8: 1~0.95: 1。分析了短焦投影镜头中较难处理的照度和畸变问题，最后给出了可行的解决办法,并对光学系统进行了公差分析。

为设计满足全球大气气溶胶监测需求的星载宽波段超广角探测光学系统，解决广角镜头的像面均匀性问题。根据性能要求选择了反远距的结构形式，对反远距广角镜头的前组角放大率参数与像差控制及后截距的关系进行了理论分析，并对影响像面照度的光瞳像差进行了分析，得到增大前组角放大率不是获取大光阑彗差的必要条件。通过低色散玻璃材料以及抛物面透镜的采用，设计出的光学系统光谱覆盖范围为443~910 nm，F 数为4.5，全视场角为118.8°，畸变小于10%，各波段调制传递函数(MTF)大于0.75@20lp/mm。通过分别采用序列及非序列方法对该系统像面的相对照度进行了仿真分析，两种方法的结果一致，表明该系统像面照度的均匀性优于95%，各项指标满足要求。

二维太赫兹探测成像适用于以太赫兹波作为探测波的安全检查和质量控制等方面。为实现大视场的二维太赫兹探测成像光学系统设计, 根据匹兹万条件, 分析了光学三反系统面型, 并提出了一种反远距离轴三反结构, 设计了视场角为20°×20°, 焦距为70 mm, F数为3.5的离轴三反光学系统。设计结果表明, 该光学系统调制传递函数接近衍射极限, 各个视场的点列图均方根半径均远小于艾里斑半径, 具有良好的成像质量, 满足设计要求。

为了满足紫外告警相机的特殊应用需求, 分析了超广角光学系统的结构形式、像差平衡以及像面照度的一致性。设计了工作于0.254~0.272 m波段的大视场、大相对孔径紫外光学系统, 其视场角为120°, 相对孔径为1/2。该系统采用反远距, 准像方远心光路设计, 减小了轴外视场和轴上视场的像面不均匀性; 通过优选光学材料并合理分配光焦度优化了系统特性。实验显示, 该系统在满足成像质量要求的前提下, 具有成像畸变小、像面照度均匀等特点。光学系统全视场最大弥散斑半径小于63.5 m, 轴上、轴外视场像面照度均匀性小于10%, 0.71视场的相对畸变小于20%。整个光学系统结构紧凑, 满足设计指标要求, 适合紫外告警相机的使用。

为了扩大传统剪切散斑干涉仪的检测视场，设计了一种反远距成像迈克尔逊式剪切散斑干涉系统。采用负透镜组与标准成像镜头组成反远距成像系统，分析了光路的成像参量，并利用ZEMAX软件进行了模拟; 讨论了发散光路时间相移的非均匀性，采用等步长相移算法进行相位解算可以弥补非均匀误差; 并对中心加载的橡胶平板进行了测量。结果表明,该系统能有效地扩大成像视场，采用3片焦距为-75mm的平凹镜片可以实现70°视场角的散斑干涉检测，通过调整平凹镜片的焦距和数量可以实时调整成像视场。

为满足4k电影的短距离放映需求，设计一款广角放映镜头，可适配于采用三芯片DMD技术的放映机，最大投射比可达0.75∶1，相对孔径为1/2.2，反远比为4.6∶1，在66 lp/mm的Nyquist频率处，MTF值为0.42，边缘视场MTF值为0.25。最大横向色差为3.7 μm<0.5 pixel,最大畸变为2.5%。分析了反远距形式的特点，给出了合理选型、分配光焦度和计算关键技术参数的方法，以及像差校正过程中应注意的问题。最终设计出了符合设计指标的具有高分辨率的广角放映镜头，该镜头结构简单、成本低。

介绍了一款用于监控的短焦距超广角镜头的设计，光学系统采用反远距光学结构，根据设计要求，采用等距离投影成像方式。用Zemax软件进行优化设计，合理地解决了边缘视场光照度和轴外视场像差的问题。对该结构特点进行分析评价并给出了各种像差曲线和调制传递函数(MTF)曲线。该镜头采用7组10片式结构，全视场角和相对孔径分别为175°和1/1.8，反远比为2.4。使用1/3 inch(1 inch=2.54 cm)CCD成像传感器，全视场MTF值在100 lp/mm处达到0.5，光学系统结构紧凑，像质优良。

为满足空间遥感的迫切需求，设计了星载低畸变超广角气溶胶探测仪系统.系统中多光谱成像仪的光谱范围为0.860～0.965 μm，全视场角为94°，相对孔径为1∶4,采用反远距结构，系统后工作距离为42 mm.根据反远距结构的像差特点，提出了合理选用易于加工的二次曲面校正畸变，并利用光阑像差产生的有效像差渐晕改善像面照度分布设计方法.运用光学设计软件CODE V和ZEMAX对气溶胶探测仪光学系统进行了光线追迹和优化并对设计结果进行了分析.结果表明,最大畸变为－1.6%，像面上边缘视场的照度大于中心视场照度的46%，光学系统在奈奎斯特频率38.5 lp/mm处的光学传递函数均达到0.59以上，完全满足设计指标要求;体积小，适合空间遥感应用；同时证明了设计方法是可行的.