针对传统微透镜面形测试光路复杂和效率不高的问题，提出了一种基于微透镜远场光斑高效提取环带状面形误差峰谷（PV）值的方法。基于几何光学原理，计算了不同环带误差形成的光斑的分界线位置；建立了环带误差的三维模型，通过仿真不同误差模型下的远场光斑，获得了分界线内外光强比值和环带误差值的对应关系；最后利用微纳加工技术制备出不同环带误差的微透镜阵列，搭建测试光路，通过测试获得了不同环带误差下的光斑能量分布，通过模型计算获得的微透镜环带状面形误差PV值与干涉仪测试结果一致。

为分析车床加工百微米级口径微柱透镜时遗留周期性刀纹产生的杂散光影响，构建了周期结构模型，分析了表面周期性纹理结构对衍射杂散光的影响。利用傅里叶光学理论建立了该结构的衍射理论模型，计算了在不同深度下的衍射光场强度分布规律，所获得的理论结果与商业光学软件VirtualLab的物理光学仿真和实验测试结果基本一致，实现了对理论模型的理论与实验验证，为进一步解决该类光学器件中周期性加工刀纹产生的衍射杂散光问题提供了理论依据，对微柱透镜的高精度加工具有指导意义。

核酸分子碱基的光谱特征分析对生物遗传学研究具有重要意义。 探讨太赫兹时域光谱（THz-TDS）技术和拉曼光谱（Raman spectroscopy）技术用于DNA和RNA碱基和稀有碱基的光谱检测的可行性。 分析了7种固体核酸碱基的太赫兹振动光谱和拉曼光谱, 对THz-TDS技术和拉曼光谱技术进行了对比研究。 实验结果表明, 在THz-TDS实验中, 胞嘧啶（cytosine, C)、 鸟嘌呤（guanine, G）、 腺嘌呤（adenine, A）、 胸腺嘧啶（thymine, T, DNA专有）和尿嘧啶（uracil, U, RNA专有）和稀有碱基［5-甲基胞嘧啶, 5-methylcytosine (m5C)、 1-甲基腺嘌呤, 1-methyladenine (m1A)］在0.2～2.0 THz频段内特征吸收峰和吸收强度差异显著, 可以直观地识别出7种碱基的差异; 拉曼光谱中, 7种碱基也表现出很多明显的不同特征峰, 而正是由于拉曼光谱的特征峰杂而多, 故不能直观的识别多种物质。 且其吸收强度的差异与粉末的厚度, 粒度和光聚焦的深度有关, 样品的荧光还会给拉曼光谱带来干扰, 同时激光还可能会损伤生物样品。 这说明此两种技术均能够识别7种常见和稀有碱基, THz-TDS技术在识别这7种碱基的能力上优于拉曼光谱技术, 表现出较为简洁, 快速和无损的检测性能。 THz-TDS技术不仅为DNA和RNA碱基和稀有碱基的识别提供了一种快速和准确的检测方法, 也为生物遗传学研究奠定实验基础。

与传统DMD数字显示相比,MEMS激光扫描显示具有高对比度、无背景光晕等优势,然而单根细激光束发光角度极小,需要进行扩展,同时消除激光相干引起的散斑,以提高显示性能。提出了将2DR-SPP用于随机微透镜阵列激光扫描显示扩展屏的结构设计,同时开发了激光直写热熔技术,实现了激光扫描显示屏的精确制作,最终获得发散角70°以上,均匀性70%以上,光能利用率90%以上的消散斑激光扫描显示扩展屏,可应用于机载和车载激光扫描显示系统。

与汞灯相比，紫外 LED波长单一，不能与现有紫外油墨的光引发剂完全兼容，难以实现汞灯的固化效果。本文给出了一种多波长均匀混合的紫外 LED油墨固化系统设计方法。将三种波长的紫外 LED在弧面上排成阵列，采用光学自由曲面，使每颗 LED灯珠均匀照射固化区域，结合照明角度倾斜变化，解决了波长均匀混合与照度均匀技术难题。光线追迹仿真结果表明，在距光源 600 mm的目标面上得到了波长混合均匀，平均照度为 110.7 mW/cm2，照度均匀性为 0.82的照明光斑，该设计有望模拟汞灯的多光谱照明效果，促进紫外 LED在油墨固化中的应用。

大面积平行光曝光机是印刷线路板(PCB)、显示面板和触摸屏等电子产品重要的制造设备,由于采用复眼结合反射镜的非轴对称科勒照明光路,其曝光均匀度只有0.85左右,难以满足高精度加工制造的需求。针对此问题,提出了采用自由曲面复眼替代传统的球面复眼,建立了高均匀度复眼单元的自由曲面面型设计方法。光线追迹仿真实验结果显示,采用所提方法后曝光均匀度提高到了0.91以上,满足高精度加工制造所需的高曝光均匀度的要求。所设计的自由曲面复眼的面型连续,可以通过金刚石车削进行精密加工,有望在大面积平行光曝光机照明光路中得到广泛应用。

多子镜拼接的方法可实现大口径菲涅耳衍射透镜制作,但拼接误差会对光学系统的成像质量造成影响。通过衍射光线追迹和波前恢复的方法,正向得到了子镜沿自身x'轴倾斜、y'轴倾斜、z'轴平移等面外误差与对应波前误差Zernike系数的数据库。利用数据库基于反向传播神经网络优化算法反向建立波前误差Zernike系数与对应面外误差的非线性耦合映射模型,可实现通过输入Zernike系数完成对面外误差耦合扰动情况的快速求解,运用带有符号的数值判定面外误差的大小及方向。对该模型进行模拟数值计算,验证了该方法的精度及可靠性,为衍射拼接主镜的共面检测、装调提供理论依据。

为了弱化或消除LED失效对均匀性的影响, 提出了一种基于复眼透镜的匀化光斑整体累加方案.该方案先对单颗LED进行匀化设计, 再通过LED位置误差研究推广至LED阵列, 实现每颗LED在曝光面上均能产生相同大小的匀化光斑.然后利用软件进行仿真, 设计了一款曝光光源, 并搭建了相应实验平台.该光源最大辐照度值为18.2 mW/cm2, 均匀性为86.9%, 完全满足实际曝光指标.在此基础采用遮挡光源的方式模拟不同位置的LED失效, 进行了辐照度均匀性实验.结果表明, 少量LED失效对辐照度均匀性的影响在1%以内, 甚至LED阵列接近一半失效时均匀性仅下降5%.该设计方案可长期维持辐照度均匀性, 更适用于实际生产.

以理想坐标面为参考面, 建立了大口径薄膜衍射主镜面形误差与波前误差的关系模型.首先建立了子镜面形误差模型; 其次根据导出的子镜波前误差与大口径薄膜衍射主镜波前误差关系式, 分别讨论了边缘褶皱面形和球面面形两种形变情况下不同区域子镜的形变允许范围; 最终通过全体子镜的波前误差反向拟合Zernike多项式, 得到了不同形变情况下主镜的低阶像差类型.研究结果可为成像系统的像差校正提供理论依据, 对大口径薄膜衍射主镜的夹持装配有参考意义.

基于衍射光线追迹和波前再现的方法,建立了薄膜衍射主镜基底面形误差所引起波前误差的物理仿真模型。并以边缘褶皱面形和中心向外凸出球面面形两种典型的薄膜基底形变类型为例,分别研究了两种面形误差对衍射主镜成像质量的影响,讨论了这两种典型薄膜形变所引起的主要像差类型,分析了衍射主镜波前均方根误差、面形峰谷值与光学系统斯特列尔比(SR)的相互关系,为进一步研究薄膜衍射主镜的装配夹持和像差补偿提供了理论支撑。