为提高静脉注射的成功率，设计了一款头戴静脉显示光学系统，该系统由红外成像系统与穿透型目镜式头戴显示器组成。近红外成像系统具有F/1.59的大数值孔径，利于弱红外散射光的收集成像，设计中采用了旋转对称的二次曲面设计，系统的质量是相应球面系统的77.8%。穿透型头戴显示器结构简单紧凑，采用了旋转对称的二次曲面设计，系统的质量是相应球面系统的55.6%。设计结果显示，近红外成像系统成像质量优异，分辨率可达扩展图形阵列(XGA)(1024 pixel×768 pixel)。穿透型目镜式头戴显示器具有10 mm的出瞳直径，50 mm的出瞳距离，0.068D的最大场曲(D为屈光度)，0.372%的最大相对畸变以及XGA(1024 pixel×768 pixel)的显示模式分辨率。双目光学系统的总质量为44 g。较之现有的静脉显示系统，本系统具有结构简单紧凑、数值孔径大、分辨率高、重量轻等特点。

近视人眼随年龄的增长会出现老视, 为了实现一副眼镜矫正近视并发老视人眼的远、近视力, 设计了一种非球面衍射型隐形眼镜(CL), 通过非球面CL矫正近视, 并通过衍射环的设计矫正老视。在一个有200度近视和2 D调节力的近视并发老视眼模型上优化CL, 选取的5个设计物距介于250 mm到无限远。研究了0°视场和±4°视场时设计物距下佩戴CL的近视并发老视眼模型的光学性能。结果表明, 佩戴该CL后, 在明视觉条件下(2.8 mm瞳孔直径), 注视不同距离物体时, 人眼视力最低可达1.3, 最高可达1.5; 在间视觉条件下(4.5 mm瞳孔直径), 除注视无穷远处物体时视力略差(0.9), 注视其他距离物体时, 视力均在1.0以上。此外, 佩戴CL后, 眼模型的大视场彗差、像散和畸变均在合理范围内。可见, 所设计CL能够在0~4 D物距范围内提供良好的光学质量和视觉质量, 且中间距离也实现了高质量成像, 成像性能几乎不受瞳孔变化的影响。

在光轴和视轴不重合的眼球模型中，设计了一种仅消轴向色差（LCA）而保持横向色差（TCA）不变的元件，建立了仅有TCA的眼模型。进而将实测的人眼高阶像差数据沿视轴方向引入眼模型，用以研究色差和高阶像差的相互作用。建立了三款个性化眼球模型，研究了明视觉状态下高阶像差、色差（LCA+TCA）、LCA和TCA对视觉的影响以及它们之间的相互作用。结果表明：对于多数人眼，色差对视觉的影响远大于高阶像差的影响，并且色差的存在进一步抑制了高阶像差的影响。在色差对视觉的影响中，LCA是具有统治地位的因素；对于多数人眼，TCA的影响可以忽略。

相比传统角膜曲率仪引入双像棱镜进行角膜屈光度的测量，提出一种新型的基于光标成像原理的角膜曲率仪光学系统，其结构紧凑，操作简单，具有满足要求的屈光度测量精度和测量范围。光学系统包括成像系统和照明系统两部分，成像系统由投影物镜、角膜、摄影物镜三部分构成，采用了外调焦方式；照明系统采用了柯勒照明方式，可以实现环形光标、角膜前表面和CCD接收器像面的均匀照明。成像系统的像面分辨率达到133 lp/mm，畸变小于1%，角膜屈光度测量精度为0.25 D（曲率半径测量精度0.02 mm），测量范围为30~60 D（曲率半径测量范围5.5~11 mm）。设计结果表明，该系统在满足角膜屈光度测量精度高和测量范围广的前提下，有效地实现了结构紧凑，操作简单的目的。

提出一种在个体眼光学结构基础上根据波前数据设计波前眼镜的新方法。建立了个性化的眼光学结构，并将眼球和镜片视为统一的镜-眼光学系统，用光学设计的优化方法给出镜片的结构数据，并分析了±7°视场和眼球旋转±20°时，该镜-眼系统的成像情况。与波前拟合的方法相比，该方法设计的波前眼镜离焦差为(-0057±0015) m-1，像散差为(0015±0013) m-1，散光轴位差为(0100±0316)°。镜-眼系统的矫正视力均大于125，其中8只被试眼的视力可达15以上。10只被试眼在转动±20°情形下的0°视场成像相比于直视的情况均略有下降，而7°视场的成像质量相比于直视的情况下降则更为明显。由该方法给出的验光结果客观可信，可用于对佩戴波前眼镜后人眼的视觉质量的预先评估。

测量了角膜屈光手术后人眼角膜前后表面的生理数据。在角膜数据的基础上，从理论上分析了等效折射率和曲率半径测量误差对屈光手术后角膜光焦度测量的影响。结果表明，由等效折射率和角膜曲率半径测量误差导致的角膜光焦度测量误差随着角膜前表面非球面系数的增大而增大，且有统计学意义(P<0.05)；等效折射率和角膜曲率半径测量误差均会导致测量得到的角膜光焦度偏大，这两种误差存在叠加效应，使得屈光手术后临床仪器给出偏高的角膜光焦度。另外，角膜光焦度测量误差与Q值成正比关系，且有统计学意义(P<0.05)。屈光角膜手术后人眼角膜光焦度的测量，不仅要考虑等效折射率带来的误差，也要考虑角膜曲率半径测量误差造成的角膜光焦度测量误差。

提出了一种客观验光的波前角膜接触镜的设计方法。采用角膜地形图数据，最优化拟合得到角膜接触镜的后表面面型结构；采用眼波前像差数据，运用波前在介质中传播的衍射光学的角谱理论，结合泪液透镜的作用，最优化设计角膜接触镜的前表面面型结构；根据角膜接触镜前后表面的结构，计算得角膜接触镜的最优矫正光焦度。为8只具有不同程度离焦和像散的近视眼设计了波前角膜接触镜，对角膜接触镜光焦度的分析表明，接触镜后表面为球面面型设计的，其接触镜的光焦度等于人眼的光焦度与泪液镜光焦度之和，而对于镜片后表面为环曲面面型设计的，其接触镜光焦度与全眼光焦度匹配，验证了结果的合理性。

对全眼时间频率下的对比敏感度(CSF)和人眼波前像差分别进行了测量，利用两者关联计算获得了人眼在时间频率下的神经对比敏感度(NCSF)曲线。测量结果表明，NCSF随着时间频率的增高曲线整体降低，对4只被试眼，在所选取的低时间频率到高时间频率(其中两只眼的测量时间频率为1~30 cycle/s另两只眼为1~24 cycle/s)范围内，NCSF降低的相对值分别约为90%，87%，60%和68%。与时间频率下的CSF相比较，各时间频率下的NCSF值在中低空间频率范围内[2~10 cycle/(°)]变化相对平缓，在高频[大于10 cycle/(°)]略有衰减。被试4只眼的NCSF曲线在相同的时间频率下取值近似，表明不同人眼(无视神经疾病)的视觉神经系统对于时间频率的响应特性相似。

运用非球面光学理论，设计了一款基于Gullstrand-Le Grand眼模型的便携式非球面眼底荧光相机。该相机根据滤光片选择原则，选用Nikon公司的B-2A滤光组合作为滤光系统进行光谱滤光；为避免角膜中心较大曲率引起的杂散光，采用环形光阑和共轴式照明相结合的照明方式实现眼底均匀照明；摄影系统中引入眼模型结构，综合校正了人眼及系统的像差，实现了全视场20×106 pixel的高清晰成像。该摄影系统包含有2个非球面结构，使系统由9片镜结构简化为7片镜结构。实验结果表明，该相机具有较大的调节能力，对-12~+12 m-1的人眼普遍适用，其视场角为30°，像面成像分辨率为120 lp/mm，畸变值＜3.9%。非球面光学元件的使用，有效地简化了系统，减小了系统体积和重量，提高了成像质量。

研究了明视觉下亮度变化对神经对比敏感度函数（NCSF）的影响。分别测量人眼的对比敏感度函数（CSF）和调制传递函数（MTF），而后通过计算的方法获得白光的NCSF。运用这种方法对4只人眼进行白光（15，210和310 cd/m2）下的NCSF测定。测试结果表明：白光的NCSF均随着亮度的增加有较大幅度的提高，并且曲线向着高空间频率方向移动，提高的幅度和移动的大小存在个体上的差异。CSF的变化趋势类似于NCSF的变化趋势，但在亮度的影响下，CSF的相对增长幅度要高于NCSF的相对增长幅度，这种情形在高频部分尤为突出。由于NCSF反映的是排除了眼屈光系统的从视网膜到大脑的视觉特性，因此NCSF随亮度的变化才是视觉的神经系统对亮度敏感特性的客观反映。