设计了一种基于离轴反射式光学结构、投影距离可以改变的增强现实型平视显示（AR-HUD）系统，以降低驾驶员的视觉疲劳。其中，眼盒的大小为130 mm×50 mm，虚像投影距离为3~10 m，可以通过改变图像生成单元（PGU）到一级镜的距离和像源尺寸的方式实现投影距离连续可调。通过随机取样的方式，在投影距离变化范围内随机选取一个投影距离对系统进行像质分析，证明投影距离连续可变。视场角（FOV）在投影距离的可调范围内恒为15°×5°，畸变小于5%，动态畸变小于5′，MTF在5 lp/mm处优于0.5。结果表明，当车辆与前方物体距离较近时，AR-HUD系统可以根据需要改变虚像的投影距离，且能保证像质始终符合规格。

基于仪器的光学视场特性进行有限视场和离轴效应的光谱模拟，研究针对面阵傅里叶光谱仪光谱校正的方法。首先，开展仪器线型函数（ILS）影响分析，确定不同影响因素（有限光程差、有限视场、离轴效应等）的分析方法；其次，以面阵型圆形探测器为例，结合仪器自身光学特性，构建仪器线型函数模型；然后，利用气体吸收光谱模拟离轴效应产生的光谱定标误差和光谱敏感性；最后，基于FY-3F/HIRAS-Ⅱ发射前光谱定标数据，进行光谱校正和定标精度验证。实验结果表明：有限视场和离轴效应使得光谱存在展宽，并向低波数方向偏移。经过光谱定标和校正，中心最差像元光谱定标精度由-24.69×10^-6减小到0.54×10^-6，边缘最差像元由-513.38×10^-6减小到-0.15×10^-6，且3个波段内所有像元均满足小于7×10^-6的指标要求。

使用中心波长为1658.7 nm的可调谐半导体分布反馈式（DFB）激光器，基于离轴积分腔光谱（OA-ICOS）技术，对激光器调谐范围内的甲烷稳定碳同位素分子¹³CH₄和¹²CH₄的光谱进行同时测量。选取光纤耦合助推光放大器（BOA）实现激光器输出光功率的有效放大，在保证积分腔的模式噪声不变的情况下，提高了探测器的可探测光功率，显著增加了有效光程长度，进一步提高了测量结果的信噪比。最后，通过对体积分数为500×10^-6的CH₄标准气体进行长时间测量，当平均时间达到663 s时，同位素δ（¹³C）的探测极限达到0.56‰。该技术可为大气环境下甲烷中碳稳定同位素的测量提供参考。

研究光腔内导引光的往返振荡物理过程与传播特性有助于理解、判断光腔的准直失调状态。离轴非稳腔作为一种兼具高提取效率与高光束质量的混合非稳腔，调腔导引光在离轴非稳腔中的振荡物理过程研究鲜有报道。通过理论计算与实验研究了导引光在离轴非稳腔内的多光束干涉过程及其远场传播特征，在实验中搭建了离轴非稳腔（X方向为平凹稳定腔，Y方向为共焦非稳腔）导引光研究装置，通过凹球面镜小孔注入波长为632.8 nm的基模高斯光束，开展了光腔准直与导引光远场图样研究，实验结果与计算结果吻合较好。计算与实验结果表明：离轴非稳腔的干涉图样与传统共焦非稳腔/稳定腔不同，调腔导引光在腔镜小孔注入处出现椭圆“水滴”状干涉图样，该图样亮度较高，可以用于判断光腔的准直状态。输出导引光的远场光斑在Y方向上是不同振荡阶次的亮核光斑，其中高阶次亮核光斑可用于指示红外激光的远场光斑位置。

针对离轴光学系统装调过程中自由度高且互相耦合的问题，提出一种新的离轴自由曲面反射式光学系统装调方法，采用计算全息图（CGH）实现多镜共基准定姿定态，解耦合系统各镜片的装调自由度，显著降低系统装调复杂度；分析CGH用于定姿定态时的定位精度，提高系统装调精度和效率，适应不同构型的离轴光学系统。利用上述方法，完成口径为210mm、视场为2°×2°的近红外长波红外双波段离轴反射式光学系统装调，全视场波像差RMS小于0.126λ（λ=632.8nm），达到设计预期，装配周期短，成像质量优良。

在离轴多反光学系统的装调过程中，光学对准工作成本高、操作复杂。光学系统的一体化加工制造方法通过在设计过程中加入制造约束避免了离轴多反系统的反复装调。然而，现有自由曲面离轴多反系统的设计方法很少考虑制造约束，设计的光学系统无法满足一体化加工制造的要求。针对这一问题，提出了一种符合制造约束的离轴多反系统自动生成方法。首先，提出了由共圆程度函数和遮拦评估函数构成的制造约束模块，对初始结构的合理性进行判断；其次，通过对离轴多反系统的光路结构进行光线追迹，构建了光学系统初始结构的综合目标搜索函数；然后，以搜索获取的初始结构参数为输入，结合改进的Wassermann-Wolf（W-W）法，提出了制造约束下自由曲面离轴多反系统的设计方法。实验结果表明，所提方法可以在保证较高成像质量的前提下，快速、准确地设计出符合制造约束的自由曲面离轴多反系统。