为了适应单兵平台的作战需求，针对目前透射式狙击步枪瞄准镜存在成像质量较差和出瞳距离过短等问题，设计一款高精度成像的狙击步枪瞄准镜。根据系统的设计指标对物镜组和目镜组进行指标分解以及光焦度计算，使用ZEMAX软件设计具有高精度成像质量和长出瞳距离的瞄准镜光路。瞄准镜的物镜组和目镜组均采用远心光路，系统的放大倍率为10^×，入瞳直径为50 mm，出瞳直径为5 mm，视场角为2.2°，出瞳距离为87.89 mm，机械筒长为403.76 mm。设计结果表明，物镜组和目镜组的成像质量均达到优良，对接后的整体光路在奈奎斯特频率为16.67 lp/mm处的调制传递函数值大于0.85，满足军用狙击步枪瞄准镜的使用要求。

为了验证变焦扫描大幅宽成像时扫描方向边缘视场图像畸变的矫正效果, 并降低扫描镜控制难度。 首先分析了变焦成像时扫描镜扫描速度与扫描视场角间非线性变化关系; 针对扫描镜变速扫描稳定性低且控制难度大的问题, 在结合探测器变帧频分析与实现的基础上, 提出采用扫描镜匀角速度扫描结合探测器变帧频变焦成像方法。推导了扫描镜匀角速度扫描时, 光学系统焦距、相机实时帧频与扫描成像视场角的关系式。最后基于课题组已有的可连续变焦长波红外光学系统, 搭建了一套基于扫描镜扫描成像的大幅宽长波红外变焦实验系统, 并利用该系统进行了成像验证。成像结果表明, 采用变帧频结合变焦成像方法, 可有效抑制大幅宽成像时扫描方向边缘视场图像畸变问题。变帧频成像方法降低了变焦扫描时扫描镜扫描复杂度, 证明了变焦扫描方法具备图像畸变矫正能力。

为消除长波红外相机在轨扫描成像的地面畸变, 研究了变焦扫描成像畸变消除系统控制技术。针对变焦扫描控制的多电机位置同步要求, 提出一种高精度多电机位置同步算法。依据设计的变焦扫描成像控制原理, 设定每个扫描时刻点变倍组电机和补偿组电机的同步位置。变焦控制系统实现与扫描控制系统的同步计时, 根据当前位置和下一时刻的同步位置, 每隔0.01 s计算出电机的运行速度, 实时对电机的速度进行控制。实验结果表明, 变倍组和补偿组电机的位置同步偏差分别在±0.003 mm、±0.002 mm以内; 沿轨方向地面分辨率的最大偏差不超过±0.047 m。长波红外相机在连续变焦扫描控制过程中成像清晰, 达到消除畸变的效果, 满足变焦扫描成像的要求。

针对传统线结构光水下三维成像系统, 无法同时兼顾水下颜色定标、高度定标, 出现的目标色彩失真、三维高度采集精度低的问题, 设计了一套集颜色定标、高度定标于一体的高精度水下目标彩色三维数据采集系统。采用视场融合原理使RGB激光形成一束长线列光源, 实现目标彩色数据同步采集；颜色标定板、高度标定尺集成在定标模块, 并通过伸缩支柱相连, 可实现设备小型化；成像设备可在旋转电机控制下, 实现0°, 90°, 270°三个方向数据采集, 180°方向颜色、高度现场标定；具有实现容易、操作简单、同步定标、平台适应性强的优势, 这将对高颜色保真度、高测量精度水下目标三维立体探测的发展具有重要推动作用。

针对光机扫描式超大幅宽对地观测面临的地面成像畸变导致的分辨率随扫描视场增大而急剧降低的问题, 提出了一种变焦距摆扫配合可调狭缝光阑成像的方法, 推导了其在超大幅宽成像过程中需满足的变焦扫描与光阑控制关系式.理论分析表明:当系统光轴倾斜角度和狭缝大小与瞬时焦距满足对应关系时, 可有效消除地面成像畸变, 解决边缘分辨率急剧降低的问题, 实现大幅宽扫描成像过程中地面分辨率始终与星下点分辨率保持一致.此外, 设计了一套变焦摆扫成像系统, 分析证明了该方法具有较大可行性, 这对未来超大幅宽、高分辨率对地成像观测具有重要指导意义.

覆盖“日盲”紫外到近紫外波段的光学材料少，增加了小 F数、大视场宽谱段紫外高光谱成像仪设计的难点。本文仅采用熔融石英和氟化镁两种材料，设计了一套宽谱段紫外高光谱成像仪，光谱范围为 250～400 nm，焦距 15 mm，F数 3.2，视场 31°。系统实现了模块化设计，前置成像镜头和后接光谱仪可独立成像。为保证对接后高光谱成像仪具有较好的像质，紫外镜头采用像方远心设计；光谱仪采用 Offner结构，且反射镜实现了一体化设计，由两个元件组成，可实现同轴安装，极大降低了装调难度。对接后紫外高光谱成像仪像质较好，系统结构紧凑，外形尺寸仅有 128 mm×60 mm×60 mm，实现了系统轻小型化设计。

为了满足多种复杂环境的使用需求, 红外光学系统需要适应较大的工作温度范围。介绍了一种三分离式消色差消热差制冷型中红外物镜的设计方法。改进了三分离式结构物镜的孔径光阑位置, 使物镜实现100%冷光阑效率, 同时将这种结构与消热差模型相结合, 推导出三分离式消热差物镜的初始光焦度分配关系, 并给出透镜材料的组合原则。利用该方法设计了工作波段为3～5 μm, 焦距为88 mm, 相对孔径为1: 2的红外物镜, 各视场弥散斑半径均小于5 μm, 调制传递函数MTF达到0.75@17 lp/mm, 获得了很好的成像质量。该物镜在-20 ℃～+70 ℃温度范围内保持焦距、像面和像质很好的稳定, 验证了三分离式消热差光学系统的设计方法。