为抑制光学系统内部的杂散光反射，设计了一种具有非对称特征的新型微结构。该微结构通过减少镜面反射的方式，防止外部杂散光到达光学系统像面位置。为实现对非对称微结构的激光高速加工制备，提出了激光振镜加工系统进行倾斜加工的新方式。设计了新型的高速激光加工平台，制备了非对称的铝基微结构，并搭建了镜面反射测试实验和仿真综合实验对样品进行对比测试。结果表明，加工样品对杂散光具有良好的抑制效果。当设定入射角度为15°、照明光束为650 nm激光时，该微结构与常规的阳极氧化表面相比，抑制杂散光的性能提高了10倍，相对反射率仅为0.008%。

随着透明海洋战略的提出, 低成本的凝视成像装备在水下光学成像中独具优势。然而, 后向散射和成像目标难以分离, 远距离凝视成像极为困难。更为严重的是, 在采集到有效目标图像之前, 过强的后向散射噪声已经使图像提前饱和, 无法进行后续处理。本文提出了短相干照明与偏振成像相结合的水下远距离成像方法, 利用短相干光源照明简化后向散射与成像目标的分离过程, 同时, 采用偏振技术有效抑制后向散射, 防止图像提前饱和, 保障目标图像的有效采集。为此, 搭建了大型水下光学成像实验平台, 并对22 m的远距离水下目标进行了成像试验研究。试验结果表明, 该复合成像方法获得的图像信噪比由0.50 dB提高到13.57 dB, 设备的抗提前饱和能力提高了1.42倍, 优于传统的偏振成像, 可以为大范围水下光学监控提供技术支撑。

不同偏振态激光诱导金属表面产生条纹结构的研究有很多，但对形成该结构的机理分析较少。通过在光路中插入1/4波片用于改变飞秒激光偏振态，使产生的偏振激光垂直照射到金属钨表面产生条纹结构，进而研究这种条纹结构的产生机理和激光偏振态对产生这种结构的影响。研究发现，不同偏振态的飞秒激光与对应诱导产生的条纹结构之间具有很好的一致性。当1/4波片周期性单向旋转时，激光偏振态随之周期性变化，金属表面形成的条纹结构的方向也相应地随之改变，最大偏转角度约π/4 。对这种条纹方向随波片旋转而变化现象的机理进行了理论分析，分析表明不同偏振态的飞秒激光诱导金属表面产生条纹结构的方向由激光进入双折射晶体(如1/4波片)后分解的电矢量分量决定。

为了方便地对可见光镜头进行调制传递函数的测试以及打破国外的垄断，研制了一套体积小重量轻的便携式调制传递函数测试仪。该测试仪以圆孔作为目标物，它发出的光经平行光管准直后，再经过被测镜头，并在被测镜头像面上形成圆孔像，该像经显微物镜放大后被电荷耦合器件(CCD)接收并传入计算机，计算机对图像进行处理和计算，得到调制传递函数值。介绍了图像处理的过程，详细给出了调制传递函数的算法，对测试系统各组件的影响进行了分析与校正，并提出了误差和噪声的抑制方法。将该测试仪的测试结果与光学设计的理论值进行了比较，得到该测试仪的绝对精度为0.018，满足0.03的要求，达到了研制目的。

大变倍比连续变焦红外成像系统能够同时应用于大视场下的目标搜索和小视场下的高精度跟踪测量。由于变倍比很大，在整个变焦范围内均保持良好的成像质量就成了其设计验证的难点。为了解决这一问题，本文利用调制传递函数对变焦距像面的变化量进行测量和验证。红外成像系统整机调制传递函数的主要测试方法有斜狭缝法和斜刃边法。在对两者的测试特点和影响要素进行分析比较后，选取斜刃边法作为红外成像系统整机调制传递函数的测试手段。通过用调制传递函数对现有的大变倍比测试样品在各特征焦距下的离焦曲线进行标定，得到了最优像面位置。与理论设计值相比较，最大偏差为36 m。依据该数据对调焦补偿进行了修正。复测后，该偏差的最大值降至5 m。

针对RC(里奇-克莱琴)光学系统主次镜都为双曲面且轴外视场像散较大的特点, 需要对这类光学系统的加工和装调过程进行分析, 以明确加工误差和测试失调量对光学系统的影响。利用干涉仪和光学设计软件Zemax, 对这类光学系统的光学特性进行分析。通过测试波像差与Zemax模拟结果的比对, 完成了对加工误差和失调量的准确判断。经过对加工误差和失调量的正确修改, 使光学系统的性能达到设计要求。

基于扩展奈波尔-泽尼克理论，分析了不同出瞳振幅分布情况对光学系统焦面处光强分布的影响。针对光学成像系统出瞳振幅实际分布状态，提出了一种新的测试光学波前的方法，解决了相位恢复算法中出瞳振幅分布不均匀和快速傅里叶变换引入计算误差的问题。通过测评实验，对一光学系统进行了测试，获得的光学系统出瞳波前(PV)值为0.196 5λ，RMS值为0.022 4λ(测试波长λ=632.8 nm)，此波前中主要含有像散、彗差和高阶像散等像差。该方法亦可用于分析光学系统出瞳振幅分布，数值计算其他焦面处的光强分布。测评实验证明了此方法的有效性。

由于Zernike环多项式各项在环域上正交, 以此为基准可以得到Zernike圆多项式拟合环孔径波面求解Seidel像差系数的误差。为了对Zernike圆多项式与环多项式求解的Seidel系数进行准确的比较, 根据波像差理论推导并建立对比实验模型, 进行量化比较。比较对于具有较大遮拦比的环孔径波面采用Zernike环多项式拟合与采用Zernike圆多项式拟合求取Seidel系数的差别。实验结果表明, 采用Zernike圆多项式进行拟合求取Seidel系数时, 主要的相对误差存在于离焦、球差和慧差。9项Zernike圆多项式拟合求取的Seidel系数比36项Zernike圆多项式更接近Zernike环多项式求取的系数。同时, 如果参与拟合的项数继续减少, 求取的Seidel误差反而增大。

针对高分辨率长焦距光学系统的结构特点,在受到轨道舱直径4 m左右结构限制的情况下,长焦距光学系统的结构长度的减小显得非常重要。通过像差理论计算和ZEMAX光学设计软件的设计,在满足了超长焦距高分辨率和结构长度小于4 m的要求的情况下,设计了一个视场为1.5°×0.3°、相对口径为1/9、焦距长度为23333 mm,结构长度做到了3314 mm的光学系统。系统采用了两个椭球面和一双曲面,还有两个平面折叠镜。其中平面折叠镜不仅可以缩短光路,还可以起到调焦作用。