宽谱段高光谱相机能够更为全面地记录目标的光谱信息，是目前高光谱相机所追求的主要方向之一。然而，宽谱段势必会带来系统的色差和二级光谱过大的问题，从而对成像质量造成影响。因此，基于Buchdahl矢量色散分析方法，提出了一种基于线性渐变滤光片的宽谱段高光谱相机光学系统。该系统为一款焦距为100 mm、F数为5、视场角为14.2°且光谱范围在400~1000 nm内的像方远心透射式光学系统。基于该系统的高光谱相机可在500 km轨道处获得空间分辨率为21.5 m、光谱分辨率为10 nm、幅宽为125 km的图像。像质评价及公差分析结果表明，系统具有良好的成像质量并能够满足加工和装调的要求。传递函数测试结果表明，系统符合实际应用需求。

在纳米激光直写加工系统中，显微物镜是其中的关键部件，行业发展的趋势是在大数值孔径（NA）下具有更大的物方视场，并且能适应双光子聚合（Two-photon polymerization，TPP）胶折射率的变化。对比当前TPP效应研究所用显微物镜的指标，挖掘了物方视场、NA和镜片数的关系，并提出物镜的合成敏感度指标（Synthetic sensitivity index，I_ss）。结合I_ss设计了一款波段为500~800 nm、NA大于1.3、物方视场为1.0 mm的显微物镜。该物镜的设计结果为，调制传递函数曲线接近衍射极限，波像差均方根小于0.07λ，以内调焦方式来适应TPP胶折射率的变化。公差分析表明该设计结果具有可行性。

直线运动动态目标发生器用于检测与标定光电跟瞄吊舱的动态分辨率、跟踪带宽等性能指标。动态目标发生器内置平行光管用于模拟无限远动态目标, 动态图形置于光管的焦平面并做变速直线运动模拟地面景物的移动动态。发生器内的平行光管由于其长焦距、大口径、大视场的特点, 其二级光谱需重点考虑, 基于复消色差理论, 矫正二级光谱并平衡场曲等其余像差。设计了1m焦距、口径100mm、视场角为5°的大视场、长焦距无限远目标模拟光学准直系统。设计结果表明, 光学系统的传递函数优于0.3@100lp/mm, 畸变≤0.03%, 沿轴色差远小于焦深, 有效地矫正了二级光谱。采用分辨率板法检测光学系统的轴上、轴外点的空间分辨率, 检测结果表明光管的空间分辨率均达到20组152lp/mm, 满足系统要求。

根据机器视觉物镜对复消色差和高分辨率的要求,将光学系统分成四个光组,对每组初始结构分别进行优化后再组合,得到透镜组的初始结构。利用Buchdahl色散矢量分析方法对部分玻璃材料进行针对性替换,通过多次优化得到符合光学性能要求的复消色差机器视觉光学系统。系统的焦距为60 mm,半视场角为11°,F数为5.45,像方视场可匹配1″大靶面CMOS相机,且各视场的调制传递函数值在200 lp/mm处均大于0.2。系统在0.707孔径处的残余色差为0.01665 μm,满足系统的色差容限。系统的二级光谱为0.08385 μm,基本实现了光学系统的复消色差。实验结果表明,Buchdahl色散矢量分析方法在分组设计和透镜系统的整体优化过程中,可为光学玻璃的选择及系统整体优化提供较大的便利。

为了在室内检测光电测试设备在某种工况下的瞄准线稳定精度、稳定器稳定精度等指标, 需通过平行光管来提供无穷远目标。设计指标要求为: 采用透射式结构, 工作波段400~700nm, D=350mm, 焦距为2.8m, 视场角为3.5°, 全视场内实现复消色差。设计采用柯克三片分离式透镜作为初始结构形式, 根据宽光谱复消色差理论, 选取玻璃材料, 利用校正光学系统色差与二级光谱的条件计算各片透镜的光焦度, 求解光学系统初始结构; 根据大口径宽光谱平行光管像差要求, 引入色球差参数以及消二级光谱参数进行优化, 通过玻璃材料匹配, 实现复消色差。设计结果: 在不引入非球面的情况下, 系统接近理论衍射极限, 全视场波像差RMS值均优于λ/22, 全视场内实现了复消色差, 满足设计指标要求。

为了降低多波段全天空成像仪的复杂度和研制成本, 提出了一种免调焦、高鲁棒性的多波段全天空成像光学系统方案.采用像方远心鱼眼镜头加物方远心像方准远心的有限共轭距成像镜组成二次成像系统, 货架级的窄带滤光片置于一次像面处, 使用H-FK61和KF2两种玻璃实现全系统复消色差.设计结果表明：系统F数为2.8, 波段范围427.8~865 nm, 色焦移小于0.048 mm, 系统8个观测通道的光学传递函数都在0.46以上, 满足使用要求, 且滤光片公差容限非常宽松, 面形公差PV≤λ/2、折射率公差±0.003、厚度公差±0.05, 货架级产品即可满足使用要求.相比传统方案, 该系统省去了探测器调焦机构、且不需要使用定制的窄带滤光片, 达到了简化系统降低成本的目的.

提出了一种子波段缝合光学玻璃组合的选择方法,通过最小二乘法求解复消色差方程,得到了能有效校正三级光谱的最优化玻璃组合。基于该组合设计了一个宽波段长焦距光学系统,该系统的波长范围为0.45~1.014 μm,焦距为400 mm,F数为6,全视场角为10°。系统共有3种光学玻璃,7片球面透镜,调制传递函数(MTF)接近衍射极限。研究结果表明,所提方法可以在复消色差光学系统中实现三级光谱残差的校正。

针对癌细胞突变基因诱导荧光信号弱、光谱覆盖范围宽、现有显微镜不能检测等局限, 本文设计了光谱波段为450~800 nm、数值孔径为0.95的荧光显微物镜。物镜采用+ + -结构, 因宽光谱、大数值孔径像差校正难度大、透镜片数多、装调困难, 前组设置成敏感组分, 承载物镜装调的调校功能, 承担90%以上光焦度; 中间组为弱光焦度组分, 用于校正大数值孔径下的二级光谱, 显著降低了二级光谱校正元件的加工难度; 后组为负光焦度组分, 用于平像场和增大物镜的工作距离。物镜的设计参数为: 总长58 mm、工作距0.21 mm、视场0.625 mm、倍率40×、数值孔径0.95, 结果表明: 其像质接近衍射极限, 畸变小于0.2%, 满足多种癌细胞突变基因的弱信号生物监测设计要求。