日盲紫外光学探测器可以精准的接收到电晕放电产生的紫外辐射。利用Zemax软件设计了一款定焦日盲紫外光学系统，该系统由五片球面透镜构成，工作波段240 ~280 nm，匹配靶面直径18 mm的紫外像增强器，F数为2.5，焦距为50 mm，视场角为20.4°，光学总长为72 mm。调制传递函数在空间频率20 lp/mm处全视场均大于0.8，最大畸变小于0.5％。分析了系统在−20 ~60 ℃的离焦现象，计算了各温度下的热离焦量，采用被动式机械补偿的方法校正了由温度变化产生的热差。最后，通过蒙特卡洛分析模拟，对系统给出了合理的公差分配，分析结果表示系统加工装配后仍具有较好的成像质量。

紫外拉曼光谱技术具有高强度拉曼散射、无荧光干扰的特点；可见光拉曼光谱技术可实现低波数、高分辨率探测。为兼具两种激发波长的优势，设计了一款对称分布的双Czerny-Turner光路聚焦于一个探测器的双通道拉曼光谱仪。通过元器件的选型和初始结构的计算，在不增加多余元器件的情况下，对弧矢方向像散进行补偿，避免了像面上的能量损失。配合Zemax软件对双通道光谱分别进行建模优化，最终实现了对400~5000 cm⁻¹（266 nm激发）和50~3500 cm⁻¹（633 nm激发）两段光谱的同时探测。均方根半径、点列图和调制传递函数等评价指标有效验证了设计的合理性和可行性。结果表明，两套拉曼光谱仪分别可达8 cm⁻¹和5 cm⁻¹分辨率，本设计具有高分辨率、低波数、多波长激发、集成化等优势。

由镜和光栅组成的XUV光学系统具有平面对称的性质，结合Lu平面对称光栅系统的波像差理论和均方根像差评价函数得到用以优化XUV光学系统的多参量目标函数。为求解该多自变量且大取值区间的目标函数，提出了一种基于十进制的实数编码遗传算法，并将其用于两种XUV光学系统的优化求值。将求得的优化值用光学仿真软件Shadow进行追迹，并和参考文献进行对比。结果显示本文优化后的光学系统在成像质量上有明显上升，表明波像差理论及本文的实数编码遗传算法可以有效地优化XUV光学系统，为此类系统的优化设计提供了新的思路。

为进一步优化传统反光杯在匀光、防眩光等方面的问题，基于Zemax仿真软件设计出了一种匀光性能优越的鳞甲反光杯。仿真结果表明，在杯前25 m处的配光屏幕上，最大光照强度为234 lx，中心HV点的光照强度大于0.80 E_max，各指标均符合国标GB 25991—2010《汽车用LED前照灯》的要求。将鳞甲反光杯与微透镜阵列相结合，使配光屏幕上的最大光照强度减小至59.51 lx，在各项指标仍符合国家标准的情况下，该系统的光斑能量更加均匀，且中心区域的光强进一步降低，光斑边缘过渡更加柔和，防止汽车远光灯产生眩光的效果更好，可以大量应用于汽车前照远光灯。

对于鱼眼镜头一类光学系统，其超大视场的物点对于光学系统的成像，是符合平面对称光学系统的成像规律的。应用LU发展的平面对称光学系统的波像差理论，研究如何在鱼眼镜头光学系统中应用非球面对成像系统进行优化设计。首先，通过计算各个光学面的非球面系数对超大视场光学系统波像差的影响，找到受非球面系数变化影响最大的几个光学面；然后，以这几个面的非球面系数为变量，以光学系统调制传递函数作为评价函数，应用自适应归一化实数编码遗传算法，优化设计鱼眼镜头光学系统；最后，通过实例验证了所提出方法的有效性。所提出的方法可以有效地确定一个或多个最佳非球面的位置，对优化设计鱼眼镜头系统具有指导意义。

光学仪器能否精准装调对其最终呈现的成像质量及性能有着重要影响。针对光学相机装校的修切量检测，提出了一种用于微小距离测量的光路方案并设计了一款物像等距的有限远共轭光学系统，其放大倍率为1×，数值孔径为0.09，视场为0.5°。根据实际应用需要，制定合理的光学指标，利用光学设计软件Zemax进行系统的设计与优化。结果表明，有限远共轭光学系统各视场在160 lp/mm处的调制传递函数均接近衍射极限，且都大于0.3，各视场的均方根半径小于艾里斑半径，满足光学指标设计要求。搭建实验平台，对装配星敏感镜头和CCD相机的修切圈进行测量，实验结果符合设计要求。

基于对单层超构表面的结构优化而设计的消色差透镜在光学成像上已扮演着重要作用。然而，单层超构透镜的结构设计不能提供足够大的色差补偿相位，从而限制了消色差透镜的尺寸和数值孔径。提出一种双层硅基级联消色差超构透镜的实现方案，相比单层超构透镜能够提供更大的色差补偿相位。优化超构透镜的结构得到从0.5 THz到1.1 THz频率范围的色差补偿相位φ = 3.87π rad，在模拟上设计出焦距F = 12 mm、数值孔径NA = 0.37和直径D = 9.6 mm的太赫兹消色差透镜。这种双层硅基级联消色差超构透镜的设计将在太赫兹探测、成像等领域发挥重要作用。

为降低眼镜片的像散和畸变，获得更好的视觉效果，采用多目标优化遗传算法设计非球面眼镜片。非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ算法）随机生成多组前弯和非球面系数后，采用光线追迹计算像差大小，通过模拟自然选择的过程对参数进行优化，再结合实际生产情况确定最终的设计结果。通过仿真和加工测量的手段对−8 D(1 D = 1 m⁻¹)镜片的设计进行验证，所得的球镜光焦度分布情况与仿真结果一致。与球面透镜相比，所采用的方法可以显著降低非球面眼镜片的像散、畸变和边缘厚度。

由于定焦镜头自身的景深问题使传统的扫码器不具备大的工作距离。为了满足工作人员在不更换扫描器的情况下既能实现近距离的信息读取又能实现十几米外的信息读取，研发了一款基于电润湿（electrowetting on dielectric，EWOD）液体透镜的自动变焦扫描镜头。通过调整液体镜片形状来实现镜头参数特别是焦距的变化，使得从近到远的所有对象都能成像在焦面上，从而达到自动变焦的效果。通过Zemax软件设计出一款成像范围为80 mm至无穷远的自动变焦扫描镜头，并完成了成像质量的验证。