为了实现近视眼患者角膜的个性化切削，根据Gullstrand 精密人眼理论模型，在已知屈光不正患者矫正度数的情况下，采用偶次非球面拟合人眼角膜前表面，并通过近轴光学理论求出患者的眼轴长变化量。使用提出的逆光线追迹方法对某近视患者的角膜前表面形状进行设计，拟合出8 个偶次非球面系数。将系数导入Zemax 光学设计软件，对该患者人眼模型的波前像差、点列图和调制传递函数(MTF)进行分析，通过与理想人眼模型成像质量的比较发现，逆光线追迹方法设计的角膜切削方案可以实现理想人眼的成像质量。因此，通过逆光线追迹方法可以为临床上实现近视眼屈光手术的理想矫正提供个性化的新手段。

为了解决基于波前或星点图对准大口径空间光学系统时计算量大、面形误差影响大等问题, 提出了一种基于离散阵列光源对准空间光学系统的方法.给出了离散阵列光源的设计、检测和标定方法, 并以此为基础设计了对准检测光路.以某在研RC望远镜为对象, 用离散阵列光源产生参考光, 设计了一个用于快速对准主次镜的检测光路.在光学系统设计参数已知的情况下, 根据像平面上的点列图, 建立了主次镜位置信息和点列图分布信息的函数关系.利用光学设计软件和数学计算工具建立仿真平台, 并进行了主次镜的仿真验证.仿真结果表明, 使用离散阵列光源可以有效减少计算量, 降低面形误差和杂散光的影响, 提高对准效率, 并且具有较高的计算准确度.

基于平场全息凹面光栅几何像差理论，分析了初级像差与高阶像差特别是球差对平场全息凹面光栅成像的作用。通过一个具体的设计，分别讨论宽波段光栅和窄波段光栅设计中校正球差与否对设计结果的影响。通过对光谱像大小和各种像差系数大小进行对比分析得出以下结论：宽波段平场全息凹面光栅像差较大，决定光谱像大小的主要是初级像差，球差的影响难以显现，在进行光栅设计时可以不考虑球差；窄波段光栅的离焦像差较小，球差的影响开始变得显著，此时在设计过程中考虑球差的校正能够进一步改善光栅的成像质量。

光栅是单色仪的核心器件，光栅的像差校正能力对单色仪性能有着决定性作用.本文研究了基于光线追迹点列图数值分析的遗传算法实现，建立了针对全息光栅成像质量的评价函数，并利用遗传算法实现了全息光栅的优化设计.结果表明，利用遗传算法可以简化求解过程,降低最优参量的误差,并克服局部极值的问题，明显优于阻尼最小二乘法.

提出一种基于结构光条纹成像的光线追迹和波前重建方法。以结构光条纹相位为信息载体, 采用相移技术精确地测量结构光条纹成像过程中相位的变化, 实现高分辨的光线追迹, 得到点列图。由于光线传播方向与波前垂直, 因此可以实现波前重建。将一个液晶显示器(LCD)置于点光源后, 显示正弦灰度调制光栅图样以产生标准条纹光束。条纹光束通过被测光学元件后, 发生变形。CCD记录下变形条纹图样, 根据相移技术进行处理, 计算后完成测量。由于调制光栅图样是由计算机产生的, 所以光栅的周期和方向可以灵活设置, 并可以实现精确的相移。实验验证了该方法的可行性。

基于几何光学理论利用光线追迹方法得到了适用于任意面型相位板的大视场平行光入射情况下的光线像差近似表达式,并在此基础之上分析了奇对称型相位板波前编码系统的点列图的大小、边界以及光线结构等特性,研究了大视场角平行光入射下的光线像差增强及点列图形变等现象,并且给出了相应的近似数学解析式来描述这些特性。通过对奇对称型相位板波前编码成像系统的点列图特性分析,有助于进一步的理解波前编码技术并且指导实际系统的设计。

由于孔径光栏(出瞳)在目镜光学系统的外面,所以光学系统的畸变矫正格外地困难。消除畸变的最佳方法是采用非球面。本文依据三级像差理论,对新颖的非球面广角目镜的光学系统设计作了描述,并给出设计的结果和数据。