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。

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。

为提高高空高速环境下机载光谱相机光学系统的成像性能,分析了飞行高度对光学窗口面型变形的影响,合理设计光学窗口厚度。基于有限元流固耦合、流热耦合模型,仿真高空高速环境下气动压力、气动热载荷对光学窗口的作用,分析了飞行高度对不同厚度光学窗口面型变形的影响; 初步选择光学窗口厚度,利用Zernike多项式对该光窗面型变形进行拟合并输入光学软件,以MTF及波相差为评价指标,分析了光学窗口变形对光学系统成像性能的影响,最终确定合理的光学窗口厚度。结果表明: 飞行器在5~30 km高空以3 Ma速度、5°攻角飞行时,口径200 mm的光学窗口合理设计厚度为15 mm。为不同飞行高度范围光学窗口厚度的选择及优化提供了一定依据。

研究了微透镜阵列加工误差对光学系统成像性能的影响规律，寻求利于改善光学性能的面形误差分布。对面形误差与波前像差之间的转换矩阵进行建模，使仿真与计算的波前像差达到纳米级的误差精度，选用具有正交性的Zernike 多项式作为光学和机械的接口，表示加工后光学表面的面形误差，并分别作为干涉图数据引入到已设计的子眼透镜表面，量化分析不同位置下畸变、点列图、点扩展函数(PSF)、调制传递函数(MTF)的改变情况。分析结果表明相同形状分布下，面形精度峰谷(PV)值对光学系统畸变和MTF 的影响呈现递变规律，并且点扩展函数的二维分布与视场位置存在明显的对应关系；相同面形精度下，向左和中心对称分布的面形误差使得畸变、点列图和MTF 在一定相对位置得到改善，而降低了其他相对位置的光学性能。综合考虑各光学参数的变化情况，向右对称分布的面形误差分布对于改善光学系统成像性能有利，为实现成像质量的可控超精密加工制造提供了理论基础。

针对空间衍射成像系统对大口径、结构轻量化、空间可展开等特性的要求，设计并制作了用于空间望远镜的新型衍射元件——PI薄膜光子筛。首先，分析了光子筛的设计理论；针对空间应用的特点和原则，采用振幅型光子筛的设计思路给出设计参数；用UG软件设计并加工制作了光子筛的机械固定结构。然后，通过镀膜、光刻、刻蚀等微细加工工艺制作了PI薄膜光子筛。最后，测试了光子筛的衍射效率及成像性能。实验结果表明：光子筛在波长632.8 nm处的实际衍射效率为4.916%，是理论值的73.9%。使用He-Ne激光器，选取10 μm的星点孔进行星点检测，得到了理想的艾里斑图像，其直径为176.70 μm，与理论极限值169.84 μm的误差仅为4.04%。搭建了分辨率板成像实验，测得薄膜光子筛的实际最高分辨频率为12.2 lp/mm，接近理论极限空间频率14.4 lp/mm，表明实验结果与理论分析基本相符。与其它刚性材料基底制成的光子筛相比，采用PI薄膜制作的光子筛不仅重量轻，同时具有较好的成像性能，可以满足空间望远镜主镜的应用要求。