基于扩展标量衍射理论，同时对于透射和反射的情况，考虑了入射光的方位角（即锥面衍射），推导了闪耀光栅任意衍射级次的相对衍射效率。证明在分别以平面和介质分界面为界对闪耀光栅运用扩展标量理论时，得到的相对衍射效率公式不同，但是得到的最优化深度和闪耀波长相同，并给出了相应的显式表达式。以特定参数的闪耀光栅为例，分别将两种相对衍射效率公式与严格耦合波理论进行了比较，结果表明，两种公式差距很小，且均和严格耦合波理论结果符合得很好。

四孔振幅调制波前传感器（FHAM-WS）在夏克-哈特曼传感器（SHS）的各个子孔径内引入振幅调制，实现了子孔径内波前斜率和曲率的测量。FHAM-WS的精密装调对于实现高精度的波前传感至关重要。利用标量衍射理论分析了FHAM-WS中的微透镜阵列装调误差在各个子孔径内引入的波前斜率和曲率测量误差。以该误差为输入，利用斜率和曲率混合波前重构技术，获得了微透镜阵列装调误差在整个波面测量结果中引入的像差。仿真分析了FHAM-WS中微透镜阵列的焦面偏移误差、倾斜误差在波面测量结果中引入的各类像差的灵敏度，建立了FHAM-WS的装调技术方案。利用FHAM-WS的零检验实验验证了所提方法的有效性，实验结果表明经过所提方法装调校准后，FHAM-WS的绝对测量精度能达到0.005λ（均方根，波长为λ=635 nm）。

针对目前光学设计中，通过增加光学元件数量、限制视场角等方法来平衡像差，导致光学系统较复杂的问题，提出了一种基于红外波段的大视场谐衍射透镜设计方法。使用光学设计软件Zemax进行光学设计，使用DLL编写了一种可以自定义的表面面型，使用这种表面进行分区优化，并结合标量衍射理论进行了成像效果分析。结果显示，所设计的谐衍射透镜具有21°的视场角，截止频率(以0.1作为对比度极限)为11.4lp/mm，并通过实验验证了该透镜的大视场单透镜成像的可行性。

基于菲涅耳标量衍射理论,推导了离焦状态下激光发射系统远场光斑分布的解析式,提出了一种基于相似度系数的采样间隔寻优法。用最佳采样间隔得到的数值仿真结果与解析计算结果的偏差小于0.04%。采用傅里叶变换法仿真了存在像差时的远场光斑分布情况,并分析了角位移、发散角、增益等关键参数对光场分布的影响。当激光波长为λ、指向允许偏差为3 μrad、中心增益裕量为3 dB时,基于公差分配理论得到离焦、倾斜、球差、慧差、像散的容差需分别小于等于0.36λ、0.07λ、0.43λ、0.13λ、0.5λ。

为了提高高光谱遥感技术的分析精度, 利用标量衍射理论, 对矩形光栅局部结构误差的衍射效率进行了分析, 并计算了光栅局部周期和缝宽误差对衍射效率的影响。结果表明, 当加工误差使得光栅局部缝宽变大时, 会造成光栅各主极大(除零级)衍射光强变小, 这一误差对±1级处的衍射光强影响相对较小, 随着误差的增加, 越高的衍射级次其光强下降得越快; 而当加工误差使得光栅局部缝宽变小时, 会造成光栅各主极大(除零级)衍射光强变大, 同样, 当误差变大时, 相对±1级的衍射光受到的影响而言, 级次越高对应的主极大衍射光强增大得越快。该研究对于加工矩形光栅减小局部周期和缝宽误差控制提供了参考。

小面阵APD阵列较低的像元数量限制了其三维成像分辨率。提出了一种基于光学相控阵的提高APD阵列三维成像分辨率方法, 用光学相控阵生成与APD阵列像元数量相同且位置匹配的光束阵列并实现扫描。光束阵列中子光束发散角小于APD阵列中单个像元的瞬时视场角, 子光束在单个像元视场内扫描实现APD阵列对目标三维信息的多次采集, 进而提高APD阵列的分辨率。在Matlab中基于二维标量衍射理论仿真了光束阵列在远场的分布, 并分析了子光束发散角与扩展周期数之间的关系。最后采用液晶相位空间光调制器作为光学相控阵器件, 结合CCD接收回波信号, 进一步验证了提出方法的可行性。

拼接误差对拼接镜的成像性能有着重要的影响。基于标量衍射理论推导了单块子镜反射波的复振幅分布, 并使用坐标变换法处理不同子镜间的拼接误差, 建立了拼接误差对拼接镜成像性能影响的分析模型。数值仿真给出不同拼接误差下的点扩散函数以及对应的斯特列尔比曲线。结果表明, 子镜沿z轴的平移误差对应的斯特列尔比曲线存在周期性变化。子镜倾斜误差和沿x, y轴平移误差对应的斯特列尔比曲线有着相同的结构。得到的结论为拼接镜成像质量分析提供了依据。

建立了熔石英元件修复点交联分布数值模拟模型,利用标量衍射理论结合快速傅里叶变换算法,分析了351 nm激光辐照下修复区域对下游光传输的调制影响。研究结果表明,交联修复区域对下游光传输的调制主要受修复点间交联程度的影响,随着交联程度的增大,调制光场极大值迅速增大后快速减小,其分布位置先逐渐靠近后迅速远离修复元件出光面。光场调制随着传输距离的增大先快速增大后迅速减小。优化交联修复区域形貌结构参数可有效避免下游元件发生级联损伤。

多层膜极紫外光刻掩模“白板”缺陷是制约下一代光刻技术发展的瓶颈之一, 为提高对掩模“白板”上的膜层微结构缺陷的分辨能力, 提出了一种微分干涉差共焦显微探测系统方案。基于标量衍射理论, 计算了系统横向和轴向分辨率。利用MATLAB建模仿真, 在数值孔径为065、工作波长为405 nm时, 分析比较了微分干涉差共焦显微系统、传统显微系统和共焦显微系统的分辨率。结果表明微分干涉差共焦显微系统具有230 nm的横向分辨率和25 nm轴向台阶高度差的分辨能力（对应划痕等缺陷形式)。此外, 仿真和分析了实际应用中探测器尺寸、样品轴向偏移等的影响, 模拟分析了膜层微结构缺陷的探测,结果表明本系统可以探测200 nm宽、10 nm高的微结构缺陷, 较另外两种系统有更好的探测能力。

为了进一步实现傅里叶变换红外光谱仪的微小型化，在基于多级微反射镜的傅里叶变换红外光谱仪结构中引入空间光调制器与点探测器。利用多级微反射镜对入射光场进行相位调制，同时利用空间光调制器对各干涉级次进行分布式测量。将两个多级微反射镜作为两个相位衍射屏并将空间光调制器作为振幅衍射屏，分析光波与每一个衍射屏的作用，发现干涉光场受到空间光调制器和多级微反射镜边缘衍射光场的调制。多级微反射镜边缘对入射光的截止产生了衍射效应，为了抑制该衍射效应对系统的影响，提出了一种扩展多级微反射镜阶梯级数的方法。该方法通过扩大干涉区域，避免了边缘衍射效应对内部有效干涉级次的影响。计算表明，该方法可以消除干涉图序列的失真，有效实现信号光谱复原。