太阳上层大气，即日冕、过渡区和色球，是由炽热的高度动态的磁化等离子体构成，其中高度电离的离子发射出丰富的极紫外谱线。空间太阳极紫外光谱成像观测对于捕获太阳上层大气中爆发活动的动态物理演化过程，以及实现对大气等离子体特征参数的精确测量具有重要的意义。然而现有的极紫外光谱成像仪器只能针对太阳上层大气的一个或两个目标区域进行成像观测，缺乏采用单一仪器对整个太阳上层大气区域在大空间和宽波段尺度范围内的光谱进行诊断的能力，严重制约了人们对太阳爆发活动中的能量及物质输运过程的理解。为了利用单个仪器实现对日冕、过渡区和色球的高分辨率同时诊断观测，本文提出并设计了一款同时工作在17∼21 nm、70∼80 nm和95∼105 nm三个波段的太阳极紫外成像光谱仪，该仪器基于非罗兰圆结构下的椭球面变线距（EVLS）光栅像差校正理论，采用狭缝扫描式成像光谱结构，实现了具有大离轴狭缝视场的高空间、高光谱分辨的消像散光谱成像。基于蒙特卡罗统计模拟方法对太阳极紫外三波段成像光谱仪的最优模型开展光线追迹仿真实验，仿真结果表明，所设计的成像光谱仪取得了良好的光栅像差校正效果，系统空间分辨率优于0.6″，光谱分辨率在17∼21 nm波段优于0.006 nm，在70∼80 nm和95∼105 nm波段优于0.008 nm。本文研究对我国未来的太阳极紫外光谱成像仪器的发展和研制具有重要的理论意义，对我国未来的太阳空间探测任务的型号遴选具有重要的参考价值。

提出了一款工作在Ne VII 46.52 nm谱线的新型三级次无狭缝成像光谱仪，该仪器采用两个超环面等线距光栅作为衍射元件，其中单个光栅仅工作于一个级次，这解决了现有三级次仪器使用单个光栅同时工作于三个级次的弊端，显著提升了系统校正离轴光栅像差的能力，结合光谱数据反演算法可以实现24′×24′视场下的高空间（1.547″）和高光谱分辨率（0.0078 nm）观测。

视场角(FOV)和分辨率是头盔显示器(HMD)非常重要的两个参数。但是由于“视场角-分辨率不变量”的存在,限制了单一通道头盔显示器同时实现大视场角和高分辨率的能力,通过拼接的方法可以有效地打破这个限制。利用4个经过精密切割的球面透镜进行拼接,组成双目头盔显示器,每只眼睛各包括两个通道。目镜由两个通道组成,水平视场角为111.4°,竖直最大视场角为90°。在原型机中,用三个6 inch (15.24 cm)、分辨率为1920 pixel×1080 pixel的液晶显示屏作为图像源。单目角分辨率达到3.85 arcmin。通过3D打印的方式制作了头盔显示器原型机的外部结构。对于拼接系统中的关键问题,如出瞳直径和出瞳距离进行详细讨论。基于这些讨论,在LightTools中对人眼视网膜的光强分布进行仿真。另外,根据镜片设计的畸变数据获得了处理之后的畸变图像。对原型机进行图像显示实验,验证所提方法的可行性。

提出了分段环形曲面的面型描述及设计方法。提出了一种从非球面到分段环形曲面的高精度转换方法来建立初始曲面,并讨论了分段环形曲面的优化策略、实现方法和约束条件。将所设计的分段环形曲面应用于一款超短焦投影物镜的设计和优化中,优化后的系统总长仅为155 mm,最大畸变仅为1.36%。研究结果表明,该新型曲面可以提高光学系统设计的自由度和灵活性。

在介绍风云三号E星(FY3E)晨昏轨道气象卫星和微光成像仪特点的基础上, 利用Satellite Tool Kit仿真技术并根据FY3E轨道参数, 针对FY3E所搭载的遥感器(微光成像仪)可能受到来自太阳和月球的外部杂散光的情况进行模拟分析, 并设计了遮光方法来抑制外部杂散光。分析结果表明, 2006-12-18当天太阳矢量与遥感器底部窗口法向量的夹角最小, 遥感器受太阳杂散光的影响最大。进一步分析了遥感器可能受月球杂散光的影响, 发现只要满足太阳遮挡条件, 月球就不会对遥感器产生杂散光。因此, 设计遮光板时只要考虑太阳矢量与遥感器窗口法向量的夹角即可。目前的遥感器视场角为55°, 遮挡杂散光的效率较低。将遥感器视场角减小到50°, 同时减小遮光板尺寸, 可以提高对杂散光的遮挡效率且不影响其应用。

为了实现红外光学系统的被动式无热化，设计了挠性压圈，建立了有限元分析模型，对透镜表面的接触应力和挠性压圈结构参数的灵敏度进行了研究。首先，根据光机结构的无热化要求介绍了挠性压圈，对两种常用的挠性压圈进行了热变形分析；然后，在分析挠性压圈的灵敏度系数的基础之上，对单透镜组件设计了相应的挠性结构，说明了挠性构件在被动式无热化中能够减小透镜表面的接触应力以及增加对镜座材料的选择；最后，将挠性压圈应用在三片式透镜的光学系统当中。通过分析计算，当调制传递函数(MTF)的空间频率为10 lp/mm 时，挠性压圈作用下的三片式光学系统的MTF 能够达到0.5 以上；普通压圈在60 ℃和-20 ℃的像面离焦量分别为4.765 mm和-6.312 mm，而相同温度下挠性压圈的像面离焦量分别为1.261 mm 和-1.563 mm。基本满足了红外光学系统的被动式无热化要求。

提出了用折衍混合单透镜代替多普勒叶尖间距检测系统中的双胶合消色差透镜组。对折衍混合单透镜与双胶合消色差透镜的初级像差进行了分析, 设计的折衍混合单透镜与双胶合消色差透镜组相比, 像差明显减小, 光斑位于艾里斑内; 光斑半径的均方根达到0.127。从而大大地降低了系统的尺寸和重量, 实现了系统的小型化要求。

Stray light analysis of a three-mirror spatial optical system is presented. The entrance pupil diameter (EPD) of the system is 320 mm, the e?ective focal length (EFL) is 2809 mm, and the field of view (FOV) is 1°×0.5°. Its walls are coated with extinction paint (the absorption coeffcient of which is 97%). The point source transmittance (PST) of the system is thus reduced by up to two orders of magnitude. Moreover, this technique makes it feasible to block the stray light coming from outside of the FOV by increasing the outer baffle length of the system. Adding an inner baffle to both the primary and the secondary mirrors helps not only to block the stray light coming from outside of the FOV but also to decrease the length of the outer baffle. Simulation results show that the PST values are less than 10^-10 when the off-axis angle is larger than 9°. The stray light is also suppressed effectively by placing a glare stop at the first imaging plane of Cassegrain telescope. It is surprising that the PST value is 10^-14 when the off-axis angle is 2° with the placement of glare stop at the first image plane.

为了提高拼接子镜系统的装调精确度,研究了拼接子镜系统的计算机辅助装调技术,分析了拼接子镜系统的计算机辅助装调模型,采用反向优化法编写程序求解系统失调量.以37项泽尼克系数作为评价函数.当粗调误差在0.7°以内时,完全可以精确求解失调量.结果表明,求解结果准确度高,符合实际装调要求.