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.

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。

小型光谱仪较多地采用Czerny-Turner(切尼—特纳)光路结构， 其设计应遵循Shafer消彗差原理消除中心波长处的初级彗差并尽量平直整个谱面以提高分辨率。 但常规设计并未考虑非中心波长处彗差和分辨率的变化情况。 在对两种典型切尼—特纳光路结构进行初级彗差分析的基础上， 指出交叉型光路结构宽光谱范围内的分辨率呈“V”形， 而M型光路结构分辨率在全光谱范围内变化较小， 近似呈“一”形， 即后者宽光谱范围内的分辨率一致性远好于前者。 针对于此， 该文设计了光谱范围为400～600 nm的2种光路， 并对其进行了理论计算和对比实验， 实验结果表明， 两者边缘波长处分辨率分别比中心波长处分辨率低3.7倍和1.2倍， 与理论计算结果基本一致。

利用Richards-Wolf矢量衍射积分公式,获得线偏振贝塞耳-高斯光束经具有初级彗差的高数值孔径系统聚焦后的三维光场复振幅函数,根据复振幅函数模拟了不同彗差系数下线偏振贝塞耳-高斯光束各分量及总光场在焦平面上的光强分布模式.研究结果表明,初级彗差使线偏振贝塞耳-高斯光束聚焦光场在焦平面的分布由双轴对称变成单轴对称,光强模式发生改变;各分量及总光场的光强模式中的光斑位置随初级彗差系数的增大偏离光轴;大的初级彗差使焦平面出现干涉条纹.

通过一个大尺寸菲涅尔透镜的设计，比较了曲面菲涅尔透镜和平面菲涅尔透镜在光学像差方面的差异。从应用角度看，菲涅尔透镜设计属于准直系统，一般采用平面结构，但由于其成像要求的特殊性，通过运用P－W方法进行分析和比较，结果表明：曲面的设计较之于平面更具优势，并在ZEMAX中分别对2种菲涅尔透镜进行建模，验证了结果的正确性。但这不表明曲面菲涅尔透镜在像差方面一定比平面菲涅尔透镜更具优势，它还与实际应用场合有关，为此，提出了不同的结构参数设计。