热成像仪由于工作环境较为恶劣，且自身发热量较大，容易导致热像仪光轴发生热偏移，严重影响其瞄准性能。为了提高红外热像仪的光轴热稳定性，以某型热像仪光轴敏感部件——折转镜为主要研究对象，研究其在不同环境温度条件下的光轴变化情况，并通过构建折转镜的有限元仿真模型以及试验测试系统，获得与试验数据一致性较好的有限元模型；以此为基础，采用基于变密度法的拓扑优化仿真技术，以刚度最大化为设计目标，以体积分数为约束，对折转镜座进行了拓扑优化设计。通过试验测试得出，优化设计的折转镜座的光轴高温偏移量由46.1″减小到25.5″，减小了44.7%，折转镜座的光轴低温偏移量由92.9″减小到51.0″，减小了45.1%，极大地提高了折转镜的光轴热稳定性。最后，将优化后的折转镜安装到某型热像仪中进行整机试验测试，热像仪整机的高温光轴偏移量由0.461 mrad减小到0.340 mrad，下降了26.2%，低温光轴偏移量由0.485 mrad减小到0.296 mrad，下降了39.0%，证明了仿真与拓扑优化模型的可行性与有效性，为后续红外热像仪整机的轻量化设计与性能提升奠定了基础。

为解决合成孔径成像激光雷达受制于相干天线定理的问题，扩大成像视场，提高相干收发光学系统效率，提出并研制了基于4×4尾纤式微透镜阵列接收的相干收发光学系统，建立了全视场光学系统耦合效率计算模型，完成了高精度的收发光学系统集成装调及系统光学效率测试。结果表明：发射链路与16路接收链路的光轴最优偏差优于4″，中心视场光学系统效率优于73.1%，全视场光学系统效率优于65.5%，可满足激光雷达成像试验要求。

同轴四反式光学系统的研制可采用非球面主镜和四镜一体化成型制造法，该方法极大地降低了系统零件复杂度，同时减轻了整机质量，提高了装机效率，但对后期光学系统装调的自由度产生了约束，因此，在镜面制造过程中，两者的光轴一致性需要精确测量及控制。在现有干涉测量法的基础上，提出了一种检测两面共体非球面镜光轴一致性的方法。在干涉检测光路中，两个非球面表面的光轴通过精密调整和严格标定后分别引出到两个计算全息片(CGH)补偿器上，CGH经过设计后，其特定区域可发出平行光，经另一片CGH反射后在干涉仪中形成表征两片CGH夹角的干涉条纹，解算干涉条纹的波前倾斜可得出两非球面的光轴偏差，对一两面共体待测非球面光学零件进行了CGH设计和检测光路的误差分析，显示测试精度可以达到1″。设计投产了CGH补偿器，搭建干涉检测光路，完成了光轴一致性的测量，数据处理解析出的波前倾斜为（1.544λ，0.441λ），计算出光轴夹角为(0.007 0°, 0.002 0°)，使用经纬仪复测的两片CGH的夹角为(0.007 1°, 0.001 9°)。使用轮廓仪法对干涉测量法结果进行了比对验证，分别扫描主镜和四镜的面形轮廓，统一坐标系后，主镜和四镜的光轴夹角为(0.007 1°, 0.002 0°)，三者显示出较高的一致性。该方法具有直观性强、检测精度高的优点。

针对复杂光机系统设计中光瞳光轴位置的传递问题，构建了光瞳光轴镜耦合控制的算法模型以及实施控制的解析公式。依据耦合控制流程，阐述了解析公式中各系数的标定过程及其方法。同时通过搭建的试验光路，验证了上述模型及解析公式的合理性。结合探测器靶面上解算出的光瞳光轴光斑中心，通过光瞳光轴耦合镜各自两电机联动控制，可单步内实现光瞳光轴的快速耦合。执行3次不同控制策略下的光瞳光轴耦合，可使光瞳耦合精度达到近场光斑的0.2%，光轴耦合精度达到3 μrad。

为了突破常规激光投影仪由于单一波长的局限性造成应用场景的限制，同时实现对不同零件、不同材料、不同装配工艺的分图层投影，设计并搭建了多色分图层激光扫描自聚焦投影系统。系统采用2种波长的激光作为光源，根据二向色镜的位置不同，提出了多色共光轴和分光路2种激光扫描自聚焦投影方案，并推导了相应的光学系统数学模型。通过系统的自聚焦功能调节镜组间距，均可以实现在不同距离的投影面上聚焦出不同颜色的最小光斑。利用ZEMAX光学设计软件对2种投影光学系统进行仿真，并从系统可靠性和投影效果上对2种系统进行比较分析。实验结果表明：在3 m处的投影面上，共光轴系统各种波长的光斑直径均在0.8 mm以内，且光斑大小均匀，可以实现多色分图层的扫描自聚焦投影功能。

为了实现对远处目标的瞄准、识别与跟踪，光电跟踪系统往往需要其光学系统可连续变焦，并且具有大变倍比、宽波段、光轴一致性高等特性。详细阐述了连续变焦光学系统的基本构造形式、初始结构参数估算等，并在确定了相关技术参数的基础上，设计了一种变倍比为40^×的宽波段连续变焦光学系统。设计的连续变焦光学系统全部使用球面镜，易于加工，成像质量较好，各视场MTF值在150 lp/mm处均大于0.2，并且凸轮曲线平滑，无拐点，杂散光控制较好，对系统影响很小。最后通过外景试验测试，该系统光轴一致性小于0.1 mrad，系统的各项性能指标都可满足设备的使用要求，为光电跟踪系统的工程化提供了参考价值。