光刻热点检测是实现集成电路可制造性设计，保障集成电路芯片最终良率的关键。鉴于传统基于深度学习的光刻热点检测方法难以满足先进集成电路制造对检测精度的要求，提出了一种基于改进Yolov5s的检测算法，用于光刻版图热点缺陷的精确检测。通过将坐标注意力机制引入骨干网络，提高了Yolov5s模型对版图图形区域的关注度，进而极大地改善了基于Yolov5s的检测算法的光刻热点检测性能。与此同时，采用Sigmoid线性单元激活函数进一步完善整个神经网络的非线性表达，利用Scylla交并比损失函数更快速地定量评估边界框回归损失，提高了热点检测算法的收敛速度和精度。将ICCAD（The International Conference on Computer-Aided Design）2012竞赛基准、经光学邻近校正优化后的光刻图形作为数据集对所提算法开展性能测试实验，验证了热点检测算法的优异检测精度。实验结果表明，该算法的平均准确率、平均召回率、平均F1-score和均值平均精度分别达到97.7%、98.0%、97.8%和98.4%，显著优于其他光刻热点检测算法，展示了良好的应用前景。

中红外热成像系统是通过探测物体本身的辐射进行成像，不需要外部光源。而传统的中红外热成像系统体积大，不利于小型化。本文基于传输相位理论，采用时域有限差分（FDTD）法，使用FDTD软件计算仿真，探究了不同的单元半径、纳米柱高度及单元周期对相位延迟及透过率的影响，并且针对不同的纳米柱半径，利用传输相位调控实现中红外（3∼5 μm）波长下全介质硅材料的宽带消色差超透镜设计。其数值孔径为0.24，仿真焦距值为147.3 μm，半峰全宽（FWHM）为8.11^{μm，透镜透过率达到70%。设计的超透镜不仅体积小、质量轻、全波长聚焦效率可达到54%，而且为平面透镜，因此易于光学系统集成，在红外成像、红外夜视仪、红外遥感等技术中展现出广阔的应用前景。}

光源建模方法是光学仿真算法的核心之一，决定了仿真结果的精度。然而对任意面型的光源建模难度高，建模方法很少被公开讨论。本研究系统地介绍曲面光源建模方法。基于均匀性假设，对曲面光源的空间特性、方向特性进行统计学描述，给出采样光线参数应满足的概率密度函数和采样方法。对两个曲面光源实例进行建模，当采样光线数量在10⁷量级时，建模结果在指定接收器上形成的辐照度分布与理论值间最大相对偏差在1%之内，建模精度很高。同时，分析了两种采样方法对曲面光源建模精度和速度的影响，可为曲面光源建模过程提供一定指导。

基于介电润湿液体透镜的原理，利用COMSOL仿真软件设计了方腔结构的非球面双液体透镜模型，分析了MATLAB工具对模型中界面面型的拟合精度。设计加工了具体的器件结构，研究了非球面双液体透镜的面型变化情况。通过图像处理和面型拟合分析，获得非球面面型的实验结果，验证了方腔结构的非球面液体透镜结构的可行性。

为满足目前生物医学活体成像研究领域对多波段荧光成像的迫切需求，提出并设计了一种可见光（486~656 nm）、近红外（900~1700 nm）双波段长后工作距有限远变焦光学系统。针对双波段、长后工作距变焦系统带来的色差变化范围大、组分光焦度选择受限等技术难题，通过理论分析，选择了适合该双波段系统的变焦结构，计算得到了系统4组变焦结构的初始光焦度，并利用理想近轴面验证变焦方案初始结构的可行性，在此基础上对系统每一组元进行独立像差设计，共光路部分兼顾双波段像差进行优化，后组采用分光棱镜对两个波段分光，并针对双波段设计不同的后固定组以校正系统残余像差，同时实现长后工作距下的双波段成像。系统公差特性良好，变焦曲线平滑无拐点，变倍过程中像面稳定，成像质量良好。

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。

目前市面上的水下镜头以视场角小、光学总长大的镜头为主。利用超短焦距的方案，从6片玻璃镜片的初始结构出发，结合水下成像镜头的特点，设计了一款500万像素的超短焦水下广角监控镜头。其全视场为95°，焦距仅为3.1 mm，系统光学总长为32.8 mm，后工作距为5.3 mm。该镜头由隔水窗以及由4片球面镜片和2片非球面镜片（包含滤光片和光阑）所构成的透镜组组成。在水下工作时，该镜头在全视场范围内的调制传递函数在250 lp/mm频率处都在0.3以上，同时中心视场系统的光学性能接近衍射极限，配合IMX675传感器能实现良好的成像效果。通过温度和公差分析，证明该镜头能适应水温变化，满足实际生产和装配的要求。

尽可能地增大出射光强，提高光通量利用率，是准直照明系统二次光学设计的研究目标。分别针对纯折射型和全内反射型的准直照明系统，研究了光源参数对其照明性能的影响，从理论上推导了系统出射光强、光通量利用率与光源出射度和配光曲线指数之间关系的表达式，并进行了实验验证。研究结果表明，系统出射光强与光源出射度成正比。光源配光曲线指数较小时，相比纯折射型准直照明系统，全内反射型准直照明系统的光通量利用率更高、出射光强更大、照明范围更广；但当光源配光曲线指数较大时，纯折射型准直照明系统具有更大的出射光强和更优的光斑陡边性。该结论可为准直照明系统二次光学设计中光源参数与配光元件结构的匹配优化提供理论依据。

对传统中阶梯光栅光谱仪级次重叠的问题进行分析，采用声光可谐调滤波器（AOTF）结合中阶梯光栅的方法实现光谱级次分离，研究并设计了小型、灵敏、超高光谱分辨率的光学系统结构。利用CODEV软件对成像光谱仪的初始结构进行优化，得到一种结合AOTF与中阶梯光栅的小型化超高光谱分辨率成像光谱仪。与交叉色散方案相比，中阶梯光栅与AOTF结合的技术将得到更高的信噪比，并弥补了中阶梯光栅体积大、质量重的缺陷，工作波段在2320~4250 nm时，系统F数小于1.8，并获得优于0.15 nm的超高光谱分辨率，在奈奎斯特频率为17 lp/mm条件下整体调制传递函数（MTF）>0.7，各视场全波段弥散斑均方根（RMS）半径<11 μm。该成像光谱仪提供了一种大气微量成分高精度、高灵敏度测量的方案，与其他的高分辨率红外光谱仪相比，其更容易安装在空间资源有限的行星或星际航天器上。

为了实现可见/短波红外镜头的小型化设计，参考环形多反射结构的光学系统，针对单片多反射系统难以校正色差的问题，设计了一个130万像素的紧凑型双片结构的环形多反射式光学镜头。通过分析遮拦比和光学参数对系统的光学传递函数的影响，确定了系统的最佳遮拦比和光学参数。优化后的光学镜头包含两片透镜，材料选用氟化钙，两片透镜之间产生4次反射，各反射面均为偶次非球面。镜头的工作波段为400~1700 nm，焦距为75 mm，直径为50 mm，遮拦比为0.75，全视场角为6.2°，系统总长为22.7 mm，系统长度与焦距比为0.302。优化后镜头光学传递函数曲线平滑，100 lp/mm处大于0.35，倍率色差小于0.9 μm，成像质量良好。