Transient dynamical–thermoelastic–optical system simulation is an important expansion of classical ray tracing through rigid, resting lenses because the operating performance of high-precision optical systems can be influenced by dynamical excitations or thermal gradients. In this paper an approach for an integrated optical system simulation using the coupling of elastic multibody system simulations, thermoelastic finite element analysis and gradient-index ray tracing is presented. Transient mechanical rigid body motions and elastic deformations, thermally induced refraction index changes, and thermal elastic deformations can be considered simultaneously in the ray tracing using the presented method. The calculation of the dynamical and thermal disturbances, the data transfer and coupling, and the gradient index ray tracing method are introduced. Finally, the approach is applied on a transient triplet lens optical system and some investigation results are shown.

为了实现基于双棱镜的光电跟踪平台，需要根据光束指向精确求解两棱镜转角。基于非近轴光线追迹法与二步法，利用神经网络拟合了消色差旋转双棱镜角度差值与偏转角之间的关系，并在求解方位角与消色差旋转双棱镜两组棱镜转角的时候，将其中的非线性关系与线性关系分开，利用神经网络对其中的非线性关系进行了拟合，最终得到了消色差旋转双棱镜转角与出射光束指向的数值关系。实验表明，在仅用3层神经网络共20个神经元的条件下，得到了两棱镜旋转角度反向解算值达到了 0.000 1°量级。

工作于近地空间的星敏感器，其观测过程将不可避免受到天空背景辐射、大气湍流以及大气折射的影响。本文是星光成像的大气影响系列文章之三，选取最佳星光大气折射模型，研究了星光成像的大气折射影响。利用美国标准大气的参数廓线数据，计算了平面平行大气、整层球面大气以及多层球面大气情况下的折射特性，从计算精度、迭代次数以及算法速度三个方面对比和分析了不同折射计算模型的优缺点，选取了精度和速度最佳的折射计算模型。基于该模型和我国典型地区不同时段实测的大气参数廓线数据，计算了不同观测条件及波长下大气折射引起的折射角、色散、横向位移和路径延长的分布情况，评估了不同大气参数由于输入参数的不确定性对折射计算的影响。研究表明：使用Cassini模型或等折射光线追迹法计算得到的折射角最为准确。提升星敏感器的观测高度或减小星敏感器的观测天顶角，相比于改变观测波长而言能极大程度上减轻星光成像的大气折射影响。除此之外，当输入参数存在噪声和不确定性时，提高温度的测量精度比抑制其他参数的噪声更能有效地减小折射计算的误差。

利用二阶泰勒形式表示公差与波像差的函数关系，依据差分光线追迹法，通过光线追迹理论推导完善了偏心和倾斜两种公差关于波像差的一阶导数计算公式，利用依次求导和公式移项两种方法建立波像差的二阶导数模型。结果表明：依次求导法的求解过程复杂，应用范围受到限制，只可用于光学后截距分析；公式移项法所需的追迹像质次数少，且拟合效果良好，残差平方和处于10^-7~10^-6量级；所提方法可对光学系统进行有效的经济公差分配。

提出了一种基于表面双向反射分布函数（BRDF）离散测量值直接追迹散射光线的方法，以各向同性表面为例，先对随散射角离散变化的表面BRDF离散测量数据组做空间坐标转换，由散射角半球空间转换到方向余弦空间；再通过等间距赋值插等值方式得到方向余弦空间内分布的BRDF数据；然后，利用舍选抽样法不受限于累积分布函数（CDF）求解过程的优点，设计新的散射概率模型，以方向余弦空间内BRDF数值比表示离散光线的概率分布，设定检验条件筛选出散射光线的空间坐标，实现散射光线追迹。为验证本文方法的准确性与适用性，设置相同的入射角、追迹光线数量等仿真参数，编制了本文光线追迹方法的仿真程序，对不同光机元器件建模仿真，对比商用LightTools软件的仿真结果，计算二者的通用质量指数UQI作为比对评价指标。结果表明，基于舍选抽样BRDF离散数值的散射光线追迹方法，运算结果数据准确，与商用LightTools软件的仿真结果相比，UQI值均在0.998以上，且波动范围小，本方法具有良好地适用性。

基于棱镜对的单元件干涉可以获得透射物体的相位信息，即数字全息，具有结构紧凑、干涉条纹稳定、测量精度高等优点。采用光线追迹方法，综合考虑了棱镜对的方位角旋转、斜面偏心等参数，建立了光线追迹等效模型，仿真了数字全息干涉条纹，给出了条纹密度变化及倾斜的解析表达式。针对单模和多模光纤等微结构光学元件，获得了干涉数字全息图，并反演出其折射率分布。搭建了显微成像单元件干涉实验装置，获得了实际测量干涉图样，实验与仿真结果一致，证明了本模型的有效性。

针对现有散射光线追迹概率模型方案受限于解析解难以获取的问题，提出利用拒绝采样法设计基于双向反射分布函数（BRDF）的散射光线追迹概率模型，通过设置检验条件规避了积分求解过程，进而筛选出有效角度坐标，实现散射光线追迹，该方案具有适用范围广的优势。对于具有平移不变性的BRDF模型，进一步提出对称采样方案，通过将采样区域减半后再镜像提升速率。设置表面属性、入射角与追迹光线数量等仿真条件相同，编制了本文方案的仿真程序，对不同光机结构材料进行建模仿真后从重复性和精确度方面与LightTools软件运算结果作对比验证，基于拒绝采样法编制程序的仿真结果可以与软件模型结果相媲美。最后对软件中未包含的BRDF模型进行建模仿真以进一步验证上述方案的普适性。

针对传统透射式光学系统初始结构优化设计效率低、结构选取过度依赖经验等问题，提出了一种基于深度学习的透射式光学系统初始结构自动优化设计方法。通过监督训练学习公开光学镜头库中参考镜头的结构特征数据，构建基于光线追迹的无监督训练模型，提升深度神经网络（DNN）模型的泛化能力。通过训练生成的网络模型输出包含真实玻璃的光学系统的结构参数，从而实现透射式光学系统初始结构的自动优化设计。设计结果表明：利用该网络模型优化设计的光学系统初始结构在全视场、全谱段下的像面点斑半径与参考镜头接近，并且能够根据不同焦距要求分别设计出光学系统初始结构；所设计的1×106组初始结构的成功率优于96.403%，表明所提网络模型具有良好的泛化能力。

为了解决视觉测量在非均匀折射率环境中应用时出现的成像畸变问题，建立了在非均匀温度场中形成的非均匀折射率场，研究了光线在该折射率场中的轨迹并根据轨迹偏差修正了图像畸变。利用背景纹影法重构了由非均匀温度场产生的空间折射率场，将空间点发出的光抽象为光线，根据龙格-库塔法修正非均匀折射率场中的光线轨迹并校正图像畸变。利用PnP（pespective-n-point）算法和校正前后图像中同一点的像素坐标解算该点的世界坐标。实验结果表明，该方法能有效降低测量误差，修正被测图像的畸变。