现代显微镜中的物镜受限于瑞利衍射极限，其分辨率不能满足生物成像、材料科学以及光刻等领域的需求。目前，突破瑞利衍射极限的方法可分为近场(如扫描近场光学显微镜、超透镜、微球透镜)和远场(如受激辐射损耗显微镜、光激活定位显微镜、随机光学重建显微镜)方法。然而，前者利用纳米探针散射物体表面一个波长范围内的倏逝波，极具挑战性；而后者对样品有选择性，只适用于荧光分子样品，且会对样品造成损伤。近年来，平板透镜利用波带片、光子筛以及梯度超构表面等人工微纳结构来控制光的衍射，具有小型化、高数值孔径、大焦深、亚衍射极限聚焦等功能，为远场无标记超分辨率成像提供了一个可行的解决方案。本文从衍射聚焦光学的统一理论出发，总结平面衍射透镜的最新进展，揭示基于光场调控实现纳米聚焦的物理机制，介绍平板衍射透镜的设计原理、光学性能、微纳结构特性和材料影响，详细讨论平板衍射透镜的光学像差(如离轴像差和色差)及其校正，平板衍射透镜在纳米成像、光刻以及光电子能谱仪中的应用，最后展望其未来的发展方向和机遇。

简易光学系统因系统结构简单而存在严重像差, 导致所成图像出现模糊、失真等问题.对简易光学系统的成像特性进行分析, 在已知光学系统焦距和光瞳孔径的条件下, 建立含有像差的点扩散函数模型和图像复原模型, 根据焦面和离焦面图像以及精确的离焦量, 无需点扩散函数的先验信息, 采用相位差异法对简易光学系统所成图像进行重构.实验结果表明：单透镜、双透镜和三透镜系统复原图像质量评价指标提升率分别达到24.96%、24.80%和42.04%, 重构后图像质量均有明显提升.

利用多物理场软件COMSOL,建立241单元变形镜模型,计算得到变形镜驱动器影响函数数据。利用基于子孔径斜率法的241单元自适应光学系统光学像差校正程序,以3~60项泽尼克多项式拟合残差的均方根值为目标,分析了变形镜结构参数对系统校正能力的影响,确定了最佳参数值,计算得到最佳参数下的变形镜耦合量为11%。在241单元自适应光学系统中哈特曼传感器与变形镜之间存在不同平移和旋转误差的条件下,分析了系统对泽尼克多项式拟合能力的影响。结果表明,平移量和旋转量分别不能超过3 mm和6°。

星点质心定位精度直接决定了星敏感器姿态测量精度的极限, 其误差源之一是弥散斑模型的选取。星敏感器光学系统像差无法完全消除, 必然影响弥散斑分布, 研究光学像差对星点质心定位误差的影响对工程应用具有重要意义。文中以Gauss弥散斑模型为比较, 研究了离焦等4种光学像差对星点质心定位的影响机理和分布规律, 结合质心定位的物理过程推得光学像差影响下的误差解析式, 并实现数值仿真, 结果表明: 光学像差形成不同的弥散斑模型, 导致不同的星点质心定位误差分布; 星点弥散斑边缘能量减弱趋势对质心定位误差影响较大, 若控制光学像差使相应弥散斑边缘能量呈缓慢趋势减弱, 则有利于定位误差的减小。光学像差影响下的星点质心定位误差分析对相应的误差补偿具有指导意义, 提出的各光学像差的控制意见有利于指导星敏感器光学系统设计。

为了满足斜拉桥拉索表面缺陷的远程检测要求，基于摄远型物镜结构原理设计加工了高分辨率视频摄远物镜光学及机械系统。根据物方300 m 外分辨4 mm 线宽的分辨率要求，按照焦距f′=320 mm 计算，确定摄远物镜像方分辨率为234 cycle/mm。选择适当初始结构，用光学设计软件OSLO 进行焦距缩放、替换玻璃、减少镜片等多步骤优化，最后得到相对孔径为1/5.7、视场角为2 ω =1.379°、分辨率达到250 cycle/mm 的摄远物镜光学结构。合理设计光机结构，加工装调实验样机。分辨率测试实验证明其实际物方分辨率可以达到300 m 远分辨4 mm 线宽。在斜拉桥工程现场成像实验表明该系统符合实际工程结构表面缺陷远程检测的要求。

自适应光学系统内光路像差的校正对获得好的光束质量至关重要。实际中采用的校正方案是常规共轭式自适应光学。然而系统菲涅耳数较小时，激光在传输过程中的衍射效应严重影响着系统内光路像差的校正效果。基于随机并行梯度下降算法模拟了不同程度衍射效应（以菲涅耳数表征）下的校正效果，模拟结果表明，像差校正效果随着菲涅耳数的变小而变差。同时在此基础上提出了改进方案，并基于双液晶空间光调制器进行了实验研究。模拟和实验结果均表明，同等条件下改进方案的校正效果明显优于常规共轭式自适应光学校正方案的校正效果，且前者像差校正效果几乎不受衍射效应的影响。

提出了一种新的适用于移变降质图像复原的算法——能量约束自适应迭代复原。算法采用能量约束复原的空域迭代形式, 使其能够用于处理光学像差引起的移变降质复原问题；以局部能量约束取代总体能量约束, 使算法具有空间自适应特性；并采用双通道处理方法, 消除能量约束带来的图像亮度衰减, 同时抑制图像边界截断引起的振荡波纹。场曲复原仿真实验结果表明, 算法对移变降质图像有良好的复原效果。

对亚音速机载光电系统由于剪切层-腔流体而导致的气动光学效应进行了数值模拟.剪切层内的压缩效应用对流马赫数0.8表示,腔体的几何形状为L/H=6.7,平均腔内温度为230 K.应用商用CFD软件对这个非稳定二维流体进行了仿真.结果表明Strehl比随着波长的增加而增大,但是模糊角却变得相对复杂.证明了波长效应并给出了优化的波长模型λ*=2πσt.