为实现大口径衍射光学系统宽波段成像，分析了传统衍射透镜基于Schupmann结构光路模型带宽增加带来的中继镜口径变大的问题，提出采用谐衍射透镜作为主镜构建大口径宽波段衍射光学系统，设计了口径为10 m谱段覆盖400~900 nm的大口径光学系统，中继镜的口径与传统设计相比减小了2.4 m。为验证该设计方法，设计一套口径为80 mm、光谱范围为400~900 nm的成像光学系统，并对该系统进行了成像实验，通过查看鉴别率靶图像无色差，验证了基于谐衍射透镜为主镜的宽波段成像设计方法，为大口径衍射光学系统设计提供了一种思路。

基于谐衍射光学元件的负色散和消热差特性，设计了一种工作波段为0.40~2.50 μm的宽波段光学成像系统。建立了双层衍射光学元件带宽积分平均衍射效率的数学模型。运用Matlab软件确定衍射元件的最佳设计波长。采用BaF₂、AL₂O₃、AL₂O₃-E、普通光学玻璃（KZFSN5、SF57）设计了折衍混合5片式光学结构，并通过合理分配光焦度实现了宽波段共光路共焦面集成。实验结果表明，该系统的有效焦距为100 mm，视场角为9.4°，F数为2.8，在-40~60 ℃范围内可实现无热化。在奈奎斯特频率50 lp/mm处，0.40~0.78 μm波段的调制传递函数（MTF）均大于0.6，0.78~2.50 μm波段的MTF均大于0.5。相比基于折射透镜的传统宽波段光学系统，该系统具有结构简单、尺寸小且成像质量接近衍射极限的优点。

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。

设计了一种基于谐衍射的红外双波段共口径消热差光学系统。此光学系统的工作波段为 3～5 .m及 8～12 .m，焦距为 45 mm，F/#为 2，双色探测器为 320×256、30 .m制冷型探测器。谐衍射光学元件改进了衍射光学元件在宽波段上的大色散问题，解决了衍射光学元件在宽波段上的色散严重和衍射效率低下的问题。该光学系统采用谐衍射光学元件消宽波段色差和宽温度范围热差，使中波红外和长波红外在不同衍射级衍射实现谐振共焦成像，使用较少光学元件，校正了双波段红外光学系统的像差和热差。基于谐衍射的红外双波段共口径消热差光学系统在改善像质、减小体积重量、宽波段消热差等方面表现出传统光学系统不可比拟的优势。随着双波段探测器和谐衍射透镜研发制造技术的进一步发展，双波段光学系统必将在目标跟踪、识别、精确打击等**系统中得到广泛应用。

设计了一套基于谐衍射的液体透镜变焦系统。系统对可见光波段成像，视场角2ω为150°，焦距f′为20~120mm，可实现6X变焦。采用两片液体透镜，利用电润湿原理，无需改变透镜间距，只需调整施加于之上的电压即可实现变焦，同时引入一个谐衍射面来校正大视场所引入的色差。系统的调制传递函数曲线在奈奎斯特频率60lp/mm时，短焦高于0.7，长焦高于0.6，成像质量很好。系统的设计既保证了成像的高清晰度，又减小了系统体积，可广泛应用于内窥镜和智能手机等微型变焦系统领域。

设计了一套焦距f′=8 mm~2 400 mm的超高倍变焦光学系统，对可见光波段成像。采用多组元全动型变焦结构，在实现高变倍比的前提下不增加系统尺寸；在普通衍射透镜的基础上，分析了谐衍射元件的成像特性及色散，减小长焦距所引入的色差和二级光谱；给出了新型非球面方程及特性，解决了普通非球面方程项数选取复杂的问题。在上述理论基础上，利用Zemax光学设计软件对系统进行仿真，引入4个谐衍射面和4个新型非球面。设计结果表明，在奈奎斯特频率50 lp/mm时，调制传递函数曲线均在0.5以上，成像质量较好，可广泛应用于**、航天等领域。

设计了一套焦距f′=10 mm~500 mm的高变倍比变焦光学系统。以正组机械补偿原理为基础, 通过高斯光学计算, 给出合理的初始结构和高斯解。系统引入2个新型非球面, 使系统具有更大的自由度, 并有效校正光学系统中的像差, 减小系统复杂度, 对实现高变倍比变焦系统尤为有利。采用一组双层谐衍射元件来校正长焦所带来的二级光谱, 减少了透镜片数, 使系统更加紧凑。分析了10 mm~500 mm焦距情况下系统的调制传递函数曲线, 计算出变倍组和补偿组的变化曲线, 可以看出满足机械补偿凸轮曲线的变化规律, 而且曲线的变化比较平滑, 能够实现平稳变焦。在奈奎斯特频率为50 lp/mm时, 调制传递函数曲线均在0.6以上。

采用双层Kinoform型衍射光学元件，设计了一种能够同时在红外中波(MWIR)3~5 μm和长波(LWIR)8~14 μm波段内工作的双波段光学系统。系统仅使用两种材料（ZnS和ZnSe）和四片透镜，实现了焦距100 mm、F数1.2的长焦距、大相对孔径光学系统设计。通过数值仿真运算，合理地选择双层衍射光学元件的两种基底材料及设计波长，衍射光学元件的带宽积分衍射效率超过96%。系统像差得到了很好的校正，成像质量良好，中波所有视场调制传递函数(MTF)(14.3 lp/mm)大于0.7，长波大于0.65，且接近衍射极限，同时分析了衍射效率对系统MTF的影响。最后利用Matlab软件绘制了衍射表面微结构仿真图，两个衍射面的最大闪耀深度分别为179.3 μm和159.4 μm，最小特征尺寸为1.41 mm，完全满足目前金刚石车削工艺的加工要求。

考虑到消像差和消热差，在谐衍射的基础上提出了双层谐衍射透镜的概念.采用Ge和AMTIR I两种红外材料组成的三片式折衍射混合结构设计了工作于3~5 μm和8~12 μm双波段、F/#为1.2的大相对孔径红外消热差光学系统.该系统在(－40~+60)℃范围内性能稳定，适用于像元尺寸25 μm，像元数640×480的凝视式双波段焦平面阵列探测器，可在2 km时分辨3 m范围的目标.它既保留了普通衍射透镜的独特性能，又可以在一系列分离的波长处获得相同的光焦度，且大幅度提高各波段的衍射效率.