基于非近轴光线追迹算法对光楔扫描系统的正向问题进行求解，得到不同速度比下的花瓣形扫描轨迹。根据光楔转速和取样间隔计算轨迹点数，根据轨迹点与坐标原点的距离曲线的极小值点个数计算花瓣数，进而建立由速度比计算花瓣数的关系式。通过轨迹点数和花瓣数评估不同速度比对应的扫描轨迹的扫描时间和覆盖率，总结扫描轨迹与速度比之间的规律，提出三光楔扫描系统获取规则、对称且不存在大片扫描盲区的扫描轨迹时速度比需要满足的条件。所得规律和结论可在光楔扫描系统的应用中合理确定速度比，从而选取满足扫描效率要求的扫描轨迹。

旋转双棱镜用于目标跟踪时,其光束转向与棱镜旋转之间存在非线性关系。基于两步法解算两套棱镜角位置逆向解,沿目标移动方向求其方向导数来计算棱镜转速与光束转向率的比值,分析不同指向目标沿不同方向移动时的棱镜驱动和控制要求。结果表明:对于确定的旋转双棱镜系统,目标跟踪对棱镜驱动和控制要求只取决于当前目标指向偏转角及目标移动方向与径向的夹角;目标沿切向或径向移动,将分别导致系统观测场中央区和边缘区目标跟踪的棱镜旋转控制奇异性;目标跟踪对两棱镜旋转驱动和控制的要求存在微小差异,基于两套逆向解的分析结果无显著差异。

从理论上分析了玻璃微珠定向回归反射原理，利用近轴光线球面折射理论分析了玻璃微珠实现回归反射的折射率，并结合实际使用情况，在最大可能增加回归反射的基础上，讨论了入射光线到主光轴的距离与回归光线和入射光线夹角之间的关系，从而确定出了实现最大反射时玻璃微珠的折射率范围为1.80~1.95，研究结果对回归反射标志牌的开发具有重要的理论意义。

用旋转双棱镜系统控制光束指向时, 需要由光束的目标指向位置推算两棱镜的旋转角度(称为反向问题)。本文采用一阶近轴近似方法和非近轴光线追迹方法探讨了旋转双棱镜系统反向问题的完整解析解。首先, 基于一阶近轴理论, 利用中心算法分析了反向问题的近似解。然后, 基于矢量形式的斯涅尔定律对系统进行非近轴光线追迹, 用两步算法推算出反向问题的精确解。对比分析两种方法所得的反向解差异并设计实验对结果进行了比较和验证。结果表明, 针对一个确定的光束目标指向位置, 存在两套反向解。相对一阶近轴近似方法, 非近轴光线追迹法推算的反向解更加准确。对于大偏转角度的旋转双棱镜光束指向系统, 非近轴光线追迹法是推算其精确反向解的有效方法。

光束指向机构实现光束指向调整时，需要搞清两棱镜的方位与出射光束指向位置之间的关系。本文采用一级近轴近似方法和非近轴光线追迹方法研究了旋转双棱镜指向系统的光束指向机制，由两棱镜的旋转角度推算出了出射光束指向的解析公式。对比分析了两种方法的研究结果并设计旋转双棱镜光束指向实验进行了验证。结果显示，非近轴光线追迹方法能准确地描述系统光束偏转机制，而传统的一级近轴近似方法的分析结果与实验值存在偏差，且光束的偏转角越大，偏转角的一级近轴近似解与实验值的差异越明显。当两棱镜旋转角之差为90°时，光束方位角的一级近轴近似解与实验值的差异最大。实验表明，对于大偏转角度旋转双棱镜光束指向系统，应采用非近轴光线追迹方法来探讨其光束偏转机制。