近红外高斯激光束在强激光与材料相互作用、激光清洗、激光燃烧诊断等热点研究领域中发挥着重要的作用。然而，高斯光束能量分布的不均匀性阻碍了这些领域的深入发展。为提高工作效率和测量精度，实际应用中往往期望光束能量在较大工作距离内呈均匀分布，但现有光束整形方法无法同时满足长焦深和高激光耐受功率要求。为此，本文基于非球面像差效应提出并设计了一种新型长焦深高斯激光束均匀化光学系统，系统由非球面光束均匀化系统和球面长焦准直系统两部分组成，所有透镜均采用熔融石英并在其表面镀有增透膜，能够实现 99.9%的光学系统传输效率。系统工作波段为 1064 nm，工作距离为 1000 mm，系统总长为 135.2 mm，耐受激光功率不小于 300 W。设计结果表明：整形后的平顶高斯光束有效焦深为 ±100 mm，光束均匀性≥95%，会聚角为 17.52 mrad，能够满足上述应用场景的实际需求。本文设计的光束整形系统相比于其他激光光束均匀化系统，具有结构简单、易于加工、成本低、焦深长、耐受激光功率高、光束均匀化效果好的特点。

中红外激光器功率的不断提高使得传统红外成像制导**临着前所未有的激光威胁。较高能量的激光会使导引头光机系统内部产生杂散光, 从而干扰导引头正常工作。为增强当前红外成像导引头内部核心器件探测器的抗激光干扰和损伤能力, 本文采用新型高吸收型陶瓷涂层材料增加导引头光机系统对杂散光的吸收能力, 针对高吸收型陶瓷涂层和磨砂玻璃两种漫反射材料, 通过等效实验对比了不同入射激光功率对红外探测器的干扰效果。研究结果表明: 采用普通漫反射材料时, 探测器在功率密度 101.3 mW/cm2处达到饱和; 而采用高吸收型陶瓷涂层材料后, 入射激光在探测器像面上的饱和功率密度阈值增大到 784.5 mW/cm2, 其抗激光干扰能力相比于普通漫反射材料提高了近 8倍。本文研究结果证明了采用高吸收型陶瓷涂层材料有助于增加红外成像导引头内部光机结构的消杂散光能力, 能够有效提升现役导引头抗激光干扰能力, 延长红外制导**的战场生存周期。

连续变焦光学系统在执法取证、森林防火、海洋搜救、道路交通、无人机侦察等领域有着广泛且必不可少的实际应用。为提高变焦系统的性能指标，并使系统小型化，通过 Zemax光学设计软件反复优化计算，设计了焦距为 2.68～17.5 mm、视场为 4.7°～31°的变焦系统。整个系统由 4组 10片透镜组成，物镜的像方 F数为 2.15～3，MTF值在 250 lp/mm时均大于 0.25，畸变在 4.5%以内，光学总长小于 27 mm，总质量小于 0.77 g，具有结构紧凑、体积小、重量轻、分辨率高、成像质量好等优点，是一款微小型的连续变焦光学系统。

为实现空空弹导引头的小型化、轻量化设计，采用滚 -仰式导引头总体布局方式，利用反射镜折转光路，选用 J-T制冷型 320×256长波红外探测器作为接收器件，设计了一种高分辨率长波红外成像制导光学系统。设计结果表明，光学系统样机焦距为 100 mm，视场大小为 5.5.×4.4.，在 16 lp/mm处，轴上视场的调制传递函数（MTF值）高于 0.54，轴外传递函数（MTF）高于 0.40，系统畸变小于 2.1%，系统在－45℃～＋ 70℃温度范围内具有良好的消热差效果。此外利用光学设计软件对系统进行了杂散光和公差分析，经实测样机，光学系统成像质量优良，各项性能指标满足技术指标要求。

大视角、高分辨率、低畸变光学成像系统是全视角高精度三维测量仪中最为关键的核心器件。现有三维测量仪实际使用过程中不可避免会产生各种误差,因此科学合理地评估和降低全视角高精度三维测量仪的测量误差具有十分重要的科学及工程应用意义。通过多角度、全方面分析定量研究了相机内方位元素标定误差对几何定位误差的影响,以及相机光学系统MTF分析、点扩散函数分析、波像差分析和公差分析对匹配误差产生的影响。研究结果表明,在各种影响三维测量仪光学成像系统测量误差的因素当中,相机的传递函数是影响系统三维定位误差最主要的因素,当系统MTFN值大于0.4 lp/mm、系统几何畸变小于1个像素,PSF能量集中在以3 μm为半径的圆环内(小于1个像素),且PSF峰值达到了0.9时,三维测量仪的定位误差可达到秒级精度。

鉴于全视角高精度三维测量仪中现有光学成像系统无法同时满足大视角、高分辨率和低畸变等技术指标，为此设计了一种能够同时克服上述缺陷的光学成像和畸变校正系统。采用复杂化双高斯结构形式进行f-θ镜头设计，引入非球面提高系统成像质量。实验结果表明，设计的光学系统为长焦广角低畸变高分辨率光学系统，在环境温度-10 ℃~70 ℃下，视场角达到90°，畸变小于-0.001 67%，传递函数达到0.4@100 lp/mm，可实现工作距离3 m~100 m成像清晰。同时，光学系统中非球面镜片的面型精度会对成像质量产生很大的影响，根据公差分析，非球面的面型精度PV值小于0.17 μm时系统成像质量满足要求，实际加工过程中非球面面型PV值达到0.158 μm，传递函数达到设计指标要求，提高了系统的成像质量。

针对惯性约束聚变(ICF)终端光学元件的高精度在线检测, 提出了一种基于图像拼接的检测方法。该方法主要包含图像配准及图像融合两个部分。在图像配准部分, 采用基于局部损伤点特征匹配的方法来解决在线检测图像中信息过少, 以及子图像间存在曝光差异的问题, 并将检测系统的运动信息应用到配准过程中, 提高了检测精度及效率。在图像融合部分, 采用泊松融合的方法来消除曝光不均匀所产生的"拼接线", 实现了检测图像的“无缝拼接”。用本文算法与尺度不变特征变换(SIFT)算法对ICF终端光学元件在线检测(Final Optics Online Inspection , FOOI)图像进行了实验对比, 结果表明, 本文提出的图像配准方法优于SIFT算法。通过4×4方式得到的拼接图像显示, 本文方法可以大幅度提高ICF系统中FOOI装置的检测分辨率。