针对M型Czerny-Turner光谱仪在像差校正时可能会出现的二次衍射问题，提出了此光学结构在消慧差条件下的反二次衍射条件。分析了二次衍射出现的主要因素，并进行了理论推导。结合反二次衍射条件与消慧差优化的约束条件，搭建了M型消慧差Czerny-Turner结构光谱仪。为了验证理论分析的正确性，使用Zemax OpticStudio仿真软件进行了对比实验。仿真结果表明：满足约束条件的M型光路结构中不会出现二次衍射现象，而不满足约束条件的M型光路结构中则会出现二次衍射现象，与理论分析结果相符。在入射狭缝宽度为25 μm、光栅刻线密度为600 line/mm的条件下，软件优化后的光学系统在200~500 nm范围内的光谱分辨率优于1 nm。

利用临床采集的人眼波前像差、角膜地形图和眼轴数据, 在光学软件Zemax中构建了60只个性化眼模型, 得出在瞳孔直径为6 mm和3 mm时的入射波前像差和出射波前像差.在6 mm瞳孔下, 入射波前像差大小为3.753 μm, 出射波前像差大小为3.074 μm, 差异有统计学意义(显著性值<0.05).其中, 入射波前像差和出射波前像差的离焦项差异大小为1.131 μm, 约占总差异的82%.入射波前像差和出射波前像差的球差项差异大小为0.185 μm, 约占总体差异的13%.6 mm瞳孔下, 除去高阶像差项, 出射波前像差和入射波前像差的离焦项、像散项、彗差项和球差项均具有统计学差异性.而在3 mm瞳孔下, 入射波前像差为0.804 μm, 出射波前像差为0.732 μm, 两者具有统计学差异性(显著性值<0.05).入射波前像差和出射波前像差的离焦项差异大小为0.133 μm, 约占总体差异的80%.除去像散项, 出射波前像差和入射波前像差的离焦项、彗差项、球差项和高阶像差项均具有统计学差异性.研究表明, 无论在大瞳孔还是在小瞳孔下, 人眼的入射波前像差和出射波前像差均具有统计学差异性.

随着水下光通信、传感和激光雷达等领域的快速发展, 深入研究海洋湍流对光束传输特性的影响具有重要的意义。采用数值模拟方法研究了慧差光束通过海洋湍流的传输特性。研究结果表明海洋湍流会导致光束慧形分布消失; 慧差光束的质心位置与最大光强位置不重合; 相比于以最大光强位置为中心、以光束质心位置为中心时计算得到的束宽要小, 但其受海洋湍流影响更大; 以能量Strehl比作为评价参数时, 慧差越严重, 则光束能量集中度受海洋湍流影响越小; 以β参数作为评价参数时, 当慧差系数取某特定值时, 光束能量集中度受海洋湍流的影响最大, 在实际应用中应该避免这种情况。能量Strehl比与β参数的物理含义不同, 分别表示按照给定桶半径内所含能量定义的能量集中度(能量Strehl比)与给定桶中功率百分比定义的能量集中度(β参数), 两者受海洋湍流的影响是不同的, 这在实际应用中应当特别注意。

三阶彗差是同轴三反消像散(TMA)光学系统镜面失调产生的主要像差之一。使用矢量像差理论分析了同轴TMA光学系统失调后彗差变化特性，给出了次镜和三镜像差偏移矢量的求解方法及公式，并推导了系统次镜和三镜失调导致的彗差增量系数公式，证明了三镜在X-Y 平面内偏心产生的彗差可以通过一个固定比例的次镜偏心量完全补偿，提出了次镜对偏心三镜的消彗差补偿条件、次镜和三镜各自的X-Y 平面偏心无彗差条件。计算了同轴TMA光学系统中三镜失调的两个例子，在消彗差补偿条件下，经过次镜主动偏心补偿，全视场均值彗差增量仅为未失调前的0.6%和1.9%，证明了消彗差补偿条件的正确性。

为了解决现有超广角数字投影镜头存在的缺陷和不足, 并与不同类型和规格数字投影机的超广角投影匹配, 给出了8组9片式超广角数字通用型投影镜头的光学系统设计.镜头焦距为8.76 mm、全视场角达到97°、F数为2.12、后工作距离大于34 mm、最大口径小于96 mm、总长小于200 mm,结构中加入了1个偶次非球面, 较好地校正了轴外像差与畸变.用减少透镜数量和增大相对孔径的办法提高了像面照度；通过增大光阑慧差及减小像方半视场角, 提高了像面相对照度, 其值达97.46%以上.通过合理确定棱镜等效厚度及调整结构布局, 使结构适配光学引擎中棱镜的有效光学厚度为16.5~23 mm.设计的镜头分辨率达120 lp/mm、全视场相对畸变绝对值小于1.5%.结果表明: 该镜头可满足0.55in~ 0.76in 3LCD和1DLP类型的各种数字投影机的使用, 最小投射比可达0.53∶1, 投影画面偏移量最大达到389 mm, 结构简单, 体形小, 成本低, 成像质量好, 可批量化生产.

以相对孔径为1∶8，工作波段为780～1 014 nm为初始光学参数，首次推导出交叉型Czerny-Turner(C-T)结构光谱仪的一阶消像散条件，搭建了交叉型消像散C-T结构和交叉型消彗差C-T结构。利用ZEMAX软件对两种初始结构进行了优化和比较。结果表明：交叉型消像散C-T结构具有更优越的光学性能，其均方根半径仅是消彗差C-T结构的12%～52%。消像散C-T结构不仅在沿狭缝方向上能量更为集中，利于设计大聚光能力的分光系统，而且在沿垂直于狭缝方向上点斑更小，具有更高的光谱分辨率。

从几何光学角度出发，分别对含有像散和彗差的波前编码系统成像特性进行了分析，推导了含有像散和彗差波前编码系统的光线像差，计算了光线像差的上下边界。通过光线像差及点列图分析了波前编码系统对像散和彗差的敏感程度。结果表明，当系统同时含有离焦像差和像散时，光线像差较仅含离焦像差的波前编码系统有所放大，点列图弥散程度增加，进而使系统调制传递函数(MTF)有较大程度的下降，影响中间图像的可复原能力，但其仍保持着较好的离焦不变特性。当系统同时含有离焦像差和彗差时，由于切向和径向的光线像差及点列图变化并不对称，彗差的存在对系统的离焦不变特性及图像的可复原性均产生影响，不仅使系统对中间图像的可复原能力降低，也使两方向的离焦不变特性有所不同。

为了实现大口径望远镜的装调，基于离焦星点图的图像处理和分析，研究了RC式望远镜的装调技术。首先，根据横向几何像差分析离焦像点图像和系统装调误差之间的关系，重点讨论了横向误差中离心和倾斜导致的偏心彗差和内外轮廓圆的圆心位置偏离距离的关系，以及彗差消除后残余的像散导致外轮廓椭圆的偏心率随长轴增大而逐渐减小的特点。然后，分析了主次镜之间纵向误差导致的球差和最小圆半径大小的关系。最后，应用Zemax建模仿真验证了上述分析，总结了如何应用离焦星点图指导装调过程以及图像处理的方法。实验结果表明：无论是横向误差还是纵向误差，应用该方法得到的实验结果和理论分析值均符合得很好，其中通过倾斜调整彗差和偏心率调整像散误差均可控制在5%以内。

为解决ZnO温度传感器测温精度和集成化的问题，设计了一套测量光谱范围为350～450 nm，分辨率为0.1 nm的光谱监测系统。通过合理地选择光学系统的结构、计算各光学元件的参数和光路结构以及消除系统像差，实现了光谱监测系统的窄波段、高分辨率的要求。最终结果显示系统的体积为111 mm×83 mm×30 mm，基本满足系统可集成化的要求，可以做进一步的优化，公差分析使之满足加工需求。