针对透射式光学系统的光轴无法直接寻找的问题，提出基于光学节点特征的光轴标定方法。采用该方法研究节点与等效节点的性质，通过观测焦面像点的位移变化来确定节点的位置以标定光学系统的光轴，依据此方法设计双向互标双自准直平行光管的光轴标定装置，其中成像接收端的抽插式结构设计可以有效避免波前误差的影响，最终验证光轴标定方法的可行性。实验结果表明，该方法具有较高的光轴标定精度以及广泛的适应性，透镜光学系统的光轴标定精度为7.7″，为空间光学及**等领域的透镜光学系统提供一种测试装调辅助手段。

在太赫兹厚度无损检测中,针对薄涂层上、下表面回波不可分的问题,测定频率为0.2~7 THz的普通面漆涂层的光学参数,根据其在频率为0.2~2 THz时的光谱特性,采用折射率常数模型和消光系数常数模型建立了反射式太赫兹波传播仿真模型。将仿真波形与实际太赫兹检测波形的差值方程组作为目标函数,提出最小二乘厚度优化方法,同时引入太赫兹发射器与样品间的距离参数对目标函数进行优化。设计具有不同阶梯厚度的面漆涂层样件进行无损检测厚度成像实验。实验结果表明:所提方法对定量无损检测精度有显著提高效果,对面漆涂层来说,厚度检测精度达到了7.9 μm,相较于现有方法提升了2个数量级;距离参数的引入实现了对检测过程中太赫兹发射器与样品间距离分布的可视化分析。

针对折射率调制的表面等离子体全息显示方案, 采用严格耦合波计算方法, 仿真了变折射率薄膜正弦光栅结构参数与衍射效率的关系.结果表明, 银作为表面等离子体激发材料时, 0.2 μm为光栅最优厚度, 在此基础上, 一级次光衍射效率与折射率差值、周期呈正比增长关系.对折射率范围进行了拓展, 确定了折射率调制范围在1.34~1.8、周期为0.9 μm时, 对应的衍射效率可达33%以上.研究结果对于优化设计表面等离子体全息显示结构具有参考意义.

为了使机械补偿的连续变焦光学系统可以连续、平稳地成像, 提出了一种减小变焦系统凸轮曲线压力角的方法.改变变倍曲线方程, 运用动态光学原理, 拟合的补偿曲线的压力角有明显减小趋势.原始设计变倍曲线的压力角为31.4°, 补偿曲线的最大压力角大于50°.运用插值法改变变倍组方程, 得到的变倍曲线的最大压力角小于37°, 补偿曲线的最大压力角小于23°, 得到的新的凸轮曲线满足曲线压力角小于45°的要求.实际光学系统检测的结果证明了这种方法的可行性.该方法可以有效地减小凸轮曲线的压力角, 实际变焦系统能够连续清晰地成像.

本文采用了光机热集成分析的方法对透射式红外光学系统在温度变化条件下进行分析。首先，利用 Zemax建立了 F.为 1和 F.为 2的两个光学系统，利用有限元软件 Patran & Nastran对两个光学系统加载温度场进行热弹性分析，得到镜面节点变形前和变形后的位移。其次，使用 Sigfit将分析得到数据进行 Zernike多项式拟合，得到镜面的 Zernike系数和刚体位移。最后，再将其导入到光学软件 Zemax中，分别考虑镜片面型变化、刚体位移变化和镜片折射率变化 3种因素对其 MTF值的影响。以 F.为 1的光学系统作为主要分析对象，其结果表明在设计要求 65℃（－45℃～20℃）温差下，面型变化使 MTF（17 lp/mm）值下降了 9.72%；刚体位移变化使 MTF值下降了 29.16%；折射率变化使 MTF值下降到 0点，已不再满足光学系统的成像质量要求。其结果表明，折射率变化才是影响红外光学系统成像质量的最主要因素。通过减少温度范围并进行光机热集成分析，得到 F.为 1的光学系统下温差范围为 8℃～32℃，F.为 2的光学系统下温差范围为 6℃～34℃。在两个光学系统的温差范围下 MTF值均大于 0.2，综合考虑建模精度及软件计算精度，其温度最适范围为 13℃～27℃。

根据光学设计要求，采用多波段共口径卡氏系统对激光照射稳定性检测系统进行光机结构设计。为保证检测系统在复杂的环境下仍具有较高的检测精度，利用有限元方法对系统结构进行了热力学仿真分析，将各光学元件表面上的节点位移变化代入光机热耦合分析工具Sigfit中进行面形拟合计算。以改进后的Zernike多项式作为光机耦合分析接口，通过Zemax得出光学系统的调制传递函数(MTF)曲线，验证了光机结构设计的合理性。将高低温环境实验数据与集成分析结果对比，对仿真分析过程进行模型修正，进而形成一套完整、准确、适用范围广的光机结构设计方案。

为了实现仿生复眼成像系统的误差分析, 介绍了一种误差分析的方法。建立了数学模型, 通过找出坐标系的基底转换矩阵实现大地坐标和以子眼为原点的坐标系之间的转换, 推导出当仿生复眼工作时其旋转角度与各参量之间的数量关系式, 即系统的测量方程。运用函数误差方法将测量方程转化为误差函数方程, 从而进行误差分析。并且搭建了实验, 采集了实验数据, 通过比对理论计算值与实际测量数据验证该分析方法的可行性。计算得系统理论旋转角度误差为 3′14″, 实际测得的旋转角度误差 3′15″, 理论计算值与实际测量值基本一致, 证明该误差分析方法是可行的。

扫描补偿系统是3DLIF水体测量系统中实现大尺寸平面激光等光程扫描的关键部分，决定了平面激光光束在流体水槽中的定位精度；系统3 000 mm长的光程和500 mm宽的光源使定位精度难以保证。针对该问题，分析了扫描补偿系统中可能存在的误差因素和各项因素之间的影响关系，建立了相关误差模型并进行仿真分析，对得到的误差数据进行了多项式拟合，拟合结果显示，棱镜制造角差和平面反射镜绕z轴的俯仰为影响位置误差的主要因素；为了减小误差，进一步分析拟合结果，得到了两项因素之间的关系表达式，提出了以仿真结果指导装调来减小误差的方法。最终仿真结果显示，通过该方法使平面激光在水槽中的位置误差可以从0.618 mm减小到0.103 mm。