为了获得大视场管道内壁全景成像，利用Q-type非球面中的Q-con非球面设计了一款工作在可见光波段，视场大小为（65°~115°）×360°，焦距为1.24 mm，F数为3.5，总长为100 mm的折反射式全景光学系统。该系统由1片反射镜、8片透镜组成，其中反射镜单元采用Q-con非球面面型，其余透镜均为球面。在尼奎斯特频率93 lp/mm处调制传递函数大于0.4，成像质量接近衍射极限。为验证Q-con面型相对于偶次非球面面型在折反射式光学系统设计中的优势，实际设计了一款与Q-con非球面折反射式全景系统具有相同参数的偶次非球面折反射式全景系统，对两者进行了分析比较。结果表明，相对于偶次非球面，Q-con非球面多项式系数比对应的偶次非球面的多5~17个数量级，不仅有效的提高了系统设计效率、加工与检测精度、减小成本，同时也可以实现像质更高、口径更小的设计结果。

采用窄线宽、边模抑制高的DFB激光器研制一套开放型TDLAS波长调制技术气体检测装置。选取2 004 nm处CO₂分子吸收峰作为吸收谱线，采用锁相放大器进行调制、解调后的二次谐波信号幅值检测气体浓度大小。设计基于开放环境中的Herriott型气体吸收池，使用ZEMAX非序列模式进行吸收池仿真，光线追迹后理论光程可达到1 350 mm，实际光程由50 mm增加到300 mm，检测浓度下限数值由原先的1 300 ppmv降低到214.28 ppmv，有效提高了系统的检测下限能力。配置不同浓度的CO₂气体检测，得到二次谐波信号幅值与浓度之间呈现很好的线性关系，其拟合系数为0.998 39，可通过拟合直线方程计算得出待测气体的浓度。配置300 ppmv的CO₂进行Allan方差分析，积分时间到101.6 s时，Allan方差处于平稳状态，检测系统的灵敏度为1.512×10^-5。检测结果表明检测装置实现了对CO₂气体浓度准确测量。该装置可进行结核分枝杆菌呼吸产生的CO₂气体浓度进行检测，为肺结核病诊断提供依据。

照明系统是增强现实光学系统的重要组成部分，其体积、照度均匀性、能量利用率直接影响增强现实照明系统的质量，因此在照明系统中对光源二次配光非常重要。针对增强现实系统的自由曲面透镜形式和照明系统开展研究，重点分析准直系统集光角度与体积的对应关系，在对光源准直系统的面型构建详细分析基础上，对中心透射边缘反射的折反射式准直系统的面型进行求解，结合偏微分方程法和划分网格法，设计了自由曲面透镜，该系统与偏振分光棱镜共同组成硅基液晶（liquid crystal on silicon，LCoS）照明系统。仿真分析结果表明：系统照度均匀性达到91.96%，若不计偏振影响，照明系统光学效率达到66.6%。该系统具有结构简单紧凑、体积小、质量轻、照度均匀性高等特点，满足增强现实眼镜的需求。

针对一款基于DMD的光谱维编码Offner光谱成像仪对凸面闪耀光栅的性能要求，提出了一种凸面闪耀光栅的宏观-微观一体化优化设计方法，利用三维偏振光追迹算法有机融合了宏观层面的Offner光学系统设计与微观层面的凸面闪耀光栅槽型设计。介绍了编码孔径Offner光谱成像系统的组成和工作原理，并结合系统的使用要求设计了一款平均衍射效率为85.47%的中波红外凸面闪耀光栅。在此基础上，采用超精密单点金刚石车床成功制备了曲率半径为120 mm、周期为99.945 μm、闪耀角为1.1783°、槽深为1.834 μm的凸面闪耀光栅。测试结果表明，在3~5 μm光谱范围内，最大衍射效率为93.46%，平均衍射效率为84.29%，与理论设计值较为吻合，验证了凸面闪耀光栅设计方法的有效性。

海丁格尔刷效应是一种人眼对线偏振光进行感知的内视效应，可用于判断人眼黄斑疾病的病变情况。针对现有海丁格尔刷效应图像存在难以精确仿真和分析的问题，通过三维琼斯矩阵和矢量对人眼的偏振感知效应进行计算，建立了一种人眼偏振感知模型，对理想、近/远视和散射等形式的人眼进行了偏振像差分析。结果表明：在人眼内介质均匀的情况下，人眼光瞳上正入射的460 nm波长线偏振光因晶状体[−5D,+5D]屈光度差异所产生的二向衰减小于1%。基于所建立的人眼偏振感知模型，利用入射偏振光的三维琼斯矢量对人眼光瞳上不同入射光场和屈光度的海丁格尔刷效应强度图像进行仿真计算，为海丁格尔刷效应的研究提供有效理论依据，扩大海丁格尔刷效应在人眼黄斑病变检测中的应用。

基于双DMD提出了一种光谱维编码的中波红外光谱成像系统，利用空间维DMD完全补偿了光谱维编码DMD引起的像面倾斜。介绍了系统的组成和工作原理，设计了焦距为240 mm、F数为3的望远系统作为前置成像单元，采用双光路Offner光栅成像系统配合光谱维编码DMD同时实现了光线的色散、编码和合光等多个功能，设计了放大倍率为1的中继成像系统实现冷光阑匹配。通过整体优化设计实现了对双光路Offner光栅成像系统残余像差的补偿，设计结果表明，系统具有良好的空间成像和光谱性能，作用距离满足设计要求。

大视场星模拟器可以提供更广的星图范围。但是现有星模拟器受显示芯片尺寸的限制，最大视场不超过30°。为了增大星模拟器光学系统视场，本文提出一种将同一规格的星模拟器视场进行拼接从而扩大视场的方法。为了降低成本及系统复杂程度、减少系统整体重量，以最少的拼接数目实现最大的拼接视场，文中针对视场重叠区域进行了详细计算与分析，提出以平面拼接为基础的形式简化拼接模型，得到正三角形、正四边形、正六边形3种典型的拼接方式，并推导了3种拼接方式下视场利用率的计算方法。提出了单一视场坐标计算方法，据此确定每个视场的中心位置，得到准确拼接数目。对比结果显示，正六边形拼接方式具有视场利用率更高、拼接数目更少的突出优势，为大视场星模拟器设计提供依据。