红外偏振成像系统快速发展且应用广泛，但评估其性能的成像系统性能模型发展不足。迫切需要能够与先进的偏振成像系统相匹配的性能模型。利用深度学习网络的训练过程与人脑提取认知信息过程的相似性，本文首次将深度学习方法引入系统性能模型领域，提出了一种基于二维图像的可自动评估系统性能的红外偏振成像系统性能模型。该模型主要包含两个主要模块：退化模块、性能感知模块。在评估一个新的系统时，需要输入高质量的原始图像，并根据系统的硬件参数量身定制成像系统退化模块，退化完成后输入性能感知模块，从而得到最终的目标获取性能。为验证模型有效性，本文基于红外辐射理论自建了面向海面场景的红外偏振数据集，训练网络并进行测试。应用该模型对红外偏振成像系统的性能进行评估，评估结果与主观感知具有较好的一致性。

为了提高大口径红外长波相机光学系统的成像质量，对红外长波杜瓦的温度场在不同窗口温度下进行了有限元分析和实验验证，明确了杜瓦窗口温度对探测器杂散光和冷屏热辐射的影响。结果表明，当窗口温度为200 K时，可有效抑制窗口引入的背景杂散光，满足设计需求。结合窗口工作温度，分析了力、热和力-热耦合对杜瓦窗口厚度、口径等设计参数的影响，并利用Zernike多项式对杜瓦窗口的形变量进行拟合，以调制传递函数和波像差作为评价指标，实现了大口径长波红外杜瓦组件的窗口变形控制。为了减小低温窗口引起的漏热以及确保窗口的可靠性，采用钛合金外壳实现杜瓦的低漏热以及更高强度的力学支撑。分析了厚度和口径分别为4 mm和58 mm的杜瓦窗口在三种工况下的形变对红外相机系统成像质量的影响。

荧光成像仪器的成像性能测试对于提高仪器的性能和临床转化成功率具有重要意义，成像性能测试的标准化需要一种可以精确模拟荧光光谱的长期稳定的样品作为测试工具。本团队提出了一种荧光发光模拟系统，该系统可以模拟荧光样品的激发效率、荧光发射谱特性和荧光空间分布特性，可以替代真实的荧光剂仿体对荧光成像类仪器进行量化表征。该系统采用的是基于线性滤光片和液晶显示器的光谱模拟方法。本团队还设计了一种改进的最小二乘光谱拟合算法，该算法可以自动模拟任意荧光发射谱。使用该系统模拟了近红外荧光造影剂吲哚菁绿(ICG)的发光特性，并对不同荧光成像仪器的成像灵敏度进行了测试。实验结果表明，所设计的荧光发光模拟系统可以稳定精准地模拟荧光样品的发光特性。

高超声速飞行器的高温窗口会对红外导引头成像性能产生严重影响。为了定量分析高温窗口效应，通过红外导引头信号响应特性和高温热辐射特性耦合的方法，建立了高温窗口作用下的红外导引头成像量化表征模型，并利用典型红外导引头系统高温窗口实验对该模型进行验证。基于量化表征模型，结合外场试验获取的船海辐射数据，实现了多种温度窗口作用下红外导引头成像结果计算，并对高温窗口作用下的红外导引头成像性能进行评估分析。分析结果表明：当窗口温度超过250 ℃时，肉眼基本无法通过图像分辨船只；当窗口温度超过300 ℃时，基本无法通过导引头识别算法实现目标的分辨和跟踪。

16 nm极紫外光刻(EUVL)物镜热变形是影响其高分辨成像的主要因素之一。为了给EUVL系统热管理提供可靠的技术依据,对数值孔径为0.33且满足16 nm技术节点的典型EUVL物镜进行热变形仿真研究。采用有限元软件ANSYS仿真曝光过程中反射镜的瞬态温度和变形分布。以Zernike多项式为接口拟合变形面,分析热变形对成像性能的影响。结果表明:物镜的最高温升和最大变形分别为3.9 ℃和10.2 nm,高温态物镜的热变形引起的最大波像差均方根和畸变分别为0.1λ和56 nm,超出了合理范围。M3和M4反射镜热变形累加引起的波像差和畸变的占比分别为88%和99%,对成像性能的影响起主导作用,需要对其进行严格控温。

在辐射成像系统的设计研发中, 经常需要计算系统的各项物理性能指标。为了提升产品研发的效率, 同方威视联合清华大学, 基于蒙特卡罗程序包Geant4, 研发了国内首套具有自主知识产权的辐射成像系统模拟软件NucRPD(NUCTECH Radiography Performance Design Tools), 其能够快速、精确地模拟系统的各项性能指标。该软件对常用的一些辐射成像系统进行了参数化建模, 用户通过修改软件界面上的少量参数, 就可以快速建立各类辐射成像系统的几何体、源项、物理模型和统计量, 然后在服务器上以并行计算方式完成模拟计算, 能在较短的时间内模拟出系统的性能指标, 并给出直观的图形帮助用户深入理解模拟结果。NucRPD的模拟结果经过了大量的实验验证, 其剂量场分布和物理指标等模拟结果和实验结果符合得很好。NucRPD已经应用于同方威视辐射成像系统产品的设计研发, 在产品的物理指标优化和辐射防护优化中发挥了重要作用。

基于海空红外图像提出了海空大气模型，分析并研究了大气环境对红外热成像系统成像的对比传递函数。以红外热成像系统为例，对海空大气模型中斜程路径的大气对比传递函数进行了计算，分析了观测距离、大气密度、目标海拔高度、大气程辐射、路径天顶角对大气对比传递函数的影响。实验结果表明，大气传输路径的观测距离、大气密度、大气程辐射、天顶角与大气对比传递函数成反比。该结果可以用于预估实际应用时大气对红外热成像系统的影响，为提高红外热成像系统的成像性能提供基础。

为提高衍射效率, 设计并制作了口径为300 mm的衍射成像系统.该系统的物镜是由一块四台阶位相型菲涅尔波带片通过激光直写套刻和Ar离子束物理刻蚀技术在石英玻璃基板上加工而成.测试了衍射物镜的衍射效率, 实验结果表明: 衍射物镜在波长632.8 nm处的衍射效率为66.4%, 达到理论值的82%.搭建了衍射成像系统光路, 分别采用10 μm星点孔与分辨率板, 测试了系统的成像性能.实验测得星点像直径为44 μm, 分辨率板的极限分辨率达到84 lp/mm, 接近该系统的理论计算值, 表明该衍射成像系统具有较好的成像性能.

基于对高分辨率光学载荷测试设备开展现场计量和校准的迫切需求, 建立一套光谱可调谐式高分辨率光学载荷校准装置, 该装置中光谱可调谐光源可以发出300~800 nm范围内任意光谱分布的光能, 再通过空间调制系统形成无穷远处的具有特定光谱分布的清晰目标, 实现高分辨率光学载荷光谱参数校准、辐射参数校准和成像性能参数校准。校准装置的光谱辐亮度校准范围为6.54×10-4~3.14×10-1 W·sr·m-2·nm-1, 空间分辨率校准精度为0.059 mrad, 视场角校准范围为1°3′30″, 光谱辐亮度响应非均匀性校准精度为0.39%。主要介绍了校准装置的基本原理、结构组成等, 并给出了详细的测试结果。由此可见,该光学载荷校准装置具有光谱任意调制、可拓展性强、高分辨率的优点。