针对空间相机轻量化、小型化要求，采用一体式环形孔径透镜。由于基底单一和结构紧凑，系统存在色差和球差，引入衍射光学元件和偶次非球面校正像差，而单层衍射光学元件在宽波段存在衍射效率下降等问题，设计了一种端到端式光学-数字联合成像系统，对影响衍射效率主要级次的点扩散函数进行一致性优化，构建出空间不变的点扩散函数模型，为后续图像复原建立复原函数模型，实现退化图像的复原。最终光学-数字联合成像系统工作波段确定为0.45~1 μm，焦距为185 mm，视场为5°，F数为4，遮拦比为0.35，系统总长为67.8 mm。

设计完成了一款具有特定结构的光阑, 光阑孔径深度设计为15mm, 光阑孔径张角设计为左右张角各为10°, 上方张角设计为6.5°, 下方张角设计为3°, 光阑安装在一级反射镜后, 光阑中心线与对应主光线重合, 同时采用双光电传感器与多温度传感器作为信号探测器接收信号幅值。通过特定孔径深度、张角等结构设计的光阑使得边界内、外幅值区分明显且幅值成正态分布, 结合传感器的使用将光照强度及像源面温度以数值显示, 便于检测标定。这检测设计光阑体积小、检测效果明显、成本低, 通过光阑与传感器的逻辑配合使用, 可以用于车载抬头显示器阳光倒灌的检测, 对车载抬头显示器行业起到一定借鉴作用。

在多平面全息图的设计过程中，为了减小各平面之间的相互串扰，本文提出了一种改进的加权迭代多平面全息图生成方法，使用权值约束来减少各平面之间的相互影响，从而提高多平面全息显示的质量。通过对全息图的约束控制，可以使各平面的目标强度分布更均匀，并且在不降低计算速度的前提下，该方法相比于未进行约束控制时相当或具有更高的重建质量。为了验证结果，使用了相同和不同的目标图像，对6个离散平面的多平面全息图进行了数值模拟与实验验证。本文为高质量的多平面全息显示提供了一种新方法。

针对液晶空间光调制器（LC-SLM）全息再现结果受零级衍射光斑和本身黑栅效应影响，导致再现像光能利用率低和均匀性较差的问题，本文提出一种利用数字闪耀光栅对再现像进行偏离并结合全息再现域模型的相位补偿法，有效提高了再现像的均匀性。其主要原理为：在设计的相位全息图上加载一定周期的数字闪耀光栅后，根据再现区域的光强分布情况反推出补偿量，并将其和原物光波进行合成，重新计算相位全息图实现对再现结果的调整，在避免了零级衍射光斑影响的同时，提高了全息像的再现效果。通过对相位补偿量进行优化计算和仿真验证，并搭建全息再现光路，将补偿计算后的相位加载到空间光调制器（SLM）上进行再现实验验证和测试，实验结果表明，补偿后的再现像均匀性提高为原来的2倍，且光能利用率也有一定的提高。研究结果表明，本文所提出的再现域模型相位补偿法能有效提高SLM全息再现像的均匀性和光能利用率。因此该方法对基于SLM的全息再现或光场调控质量的提高具有一定的应用价值。

为了使空间光调制器实时产生大景深的再现像, 运用GS算法计算出不同参数下的全息图。通过计算全息重建算法仿真得到不同傅里叶全息图下的再现像。在无傅里叶变换透镜的情况下, 利用计算机将不同参数下的傅里叶全息图输出到空间光调制器, 通过分析二维实时动态显示的再现像表明, 当傅里叶全息图的采样点数为1 024×768, 采样间隔为18 μm时, 再现像景深为275 cm, 该参数下再现像景深最大; 通过分析不同参数的傅里叶全息图再现像, 实验结果表明相位图像元尺寸越小再现像景深越大, 并且在相同参数下有傅里叶变换透镜时的再现像景深小于无傅里叶变换透镜时的再现像景深。

针对离子束抛光光学元件过程中产生的边界效应问题，提出了基于多项式拟合延拓的抑制方法。利用多项式延拓方法对初始面形进行边界延拓，并对得到的延拓面形进行仿真，仿真后面形均方根值为5.20 nm。采用离子束抛光技术对100 mm口径的K9光学元件进行加工，加工后的面形均方根值由19.26 nm降至12.23 nm。选取加工后的面形8%作为边界面形，边界面形均方根值由137.23 nm降至56.72 nm，通过仿真和实验，验证了该方法的可行性。该研究可以为光学加工提供一种新的方法。

基于夫琅禾费远场衍射理论和达曼（Dammann）光栅设计原理，利用液晶空间光调制器（LCSLM）的相位调制特性设计了产生5×5点阵结构光的相位型光栅。以显示二维Dammann光栅为例，采用模拟退火算法根据预期的光能利用率和光强不均匀性对光栅一个周期内的相位分布值进行优化，设计了5×5点阵Dammann光栅分束结构。然后利用Matlab进行远场衍射仿真，光能利用率可达到79.94%，光强不均匀性可达到13.28%。将光栅结构加载到LCSLM上，得到了光强不均匀性为27.53%、零级衍射光强均匀分布的5×5点阵，且光能利用率达到71.06%。数值模拟及光学实验结果证明了LCSLM可以在结构光再现光学系统中清晰地再现点阵结构光。与传统的结构光相比，设计的结构光在衍射距离发生变化的时候，其点与点之间的间距不发生改变。

针对离轴抛物面镜离子束修形过程中存在的热效应累积和迭代加工效率问题,提出了将总去除量按一定比例划分的分批次加工与变束径加工相结合的方法,并采用该方法进行工艺实验探索。对口径为110 mm、曲率半径为1732.7 mm、初始面形峰谷值(PV)为0.525λ(λ=632.8 nm),均方根(RMS)值为0.025λ的球面镜进行分批次变束径离子束抛光实验,最终加工得到顶点曲率半径为1728 mm、离轴量为85 mm、PV为0.36λ、RMS值0.029λ的离轴抛物面镜。对实验过程及结果进行分析,证明分批次加工方法有效消除了离子束加工过程中的热效应,通过变束径局部精修加工的方法可以减少迭代加工次数,提升加工效率。

针对二维硅光栅微结构在近红外光吸收率极低的特点，提出了一种利用等离激元增强金属Ag纳米凹坑-硅栅近红外光吸收的微纳组合结构，基于时域有限差分法研究了该组合结构在0.78~2.5 μm宽波段的吸收率，分析了光栅结构与Ag纳米凹坑对光吸收效率的影响变化。模拟研究结果表明，当在周期为0.2 μm、占空比为0.5的光栅间隙和栅柱表面均嵌入直径为0.1 μm的Ag纳米凹坑时，该组合微结构在近红外宽波段吸收率均在23%以上，平均吸收率理论上可达到52.3%；当光栅表面增加Al₂O₃介质层时，宽波段吸收率均在41.3%以上，平均吸收率提高到65.1%，最终在近红外宽波长范围内提高了吸收效率。该研究为光电探测器、太阳能电池、光通信、雷达隐身、生物医疗等领域增强光吸收提供了一种新的方法。