调焦过程可分为调节物距、调节像距和移动镜头三种情况.基于几何光学关系,推导了三种情况下的弥散斑半径和横向放大率与离焦量的关系.利用数字图像处理方法,模拟了这两个因素对自动调焦评价函数的作用,表明弥散斑的扩散在焦前焦后呈现对称影响,而横向放大率的影响则沿光轴单调下降,二者叠加,造成峰值两侧的不对称.当光学系统F数增大时,调焦评价函数变得平缓,从而使横向放大率的影响变得显著,最佳像面因此向焦前偏移.利用CCD成像的实验证明了上述观点.

通过分析炮管内膛影响CCD成像质量的光强，光的均匀性，视场大小和空间分辨力等因素，提出了增大CCD成像镜头的景深对光电窥膛光学系统的光路结构及其参数优化设计的方法，并建立数学模型，提高了CCD摄像机在炮管内膛的成像质量，使图像在亮度，均匀性，色彩和清晰度方面达到很好效果。

针对单台光电经纬仪目标提取特性短暂失去的情况下设备平稳过渡的问题,详细研究了目标在单台经纬仪中的运动轨迹.利用已有的数据对目标的运动轨迹进行分段最佳多项式逼近与外推,实现设备的平稳过渡.结果表明,此方法可以比较理想地解决目标短时间(2-3s)内丢失情况下的对目标的稳定跟踪问题.

设计了射线数字成像检测仪的光电系统,包括转换屏、光路、CCD相机以及计算机处理电路等.采用CsI(Tl)单晶闪烁体将X射线图像转换为可见光图像,用科学级CCD将光图像转换为电信号,利用计算机并行口对图像进行采集.实验结果证明图像质量优于像增强器组成的成像系统,适用于要求高质量成像检测的场合.

基于光学系统的焦深及其与工件的相对位置关系等硬件因素,提出光学系统面向对象的快速对焦运动控制方法.该方法采用灰度差分法来构造聚焦特征值评价函数,并使成像系统的运动轨迹尽量短.将对焦过程分为纯线性运动、粗调焦和细调焦三个阶段,每个阶段控制参数的确定方法不同,但总的原则是尽量减少运动和缩短图像处理中的运动距离,尽量增大最小运动步长,利用变步长的浮动阈值搜索方式,克服局部聚焦和完全不能聚焦的情况.实例证明,该方法可以提高对焦效率和可靠性,35mm的对焦距离大约耗时10s左右.

光子计数探测是微弱光学辐射探测和超快速成像研究的关键技术。利用工作于盖革模式的雪崩光电二极管（APD）结合适当的驱动熄灭电路和NI-PCI高速图像数据采集卡构成实验系统硬件框架，通过Labview和VC＋＋混合编程实现系统的数据采集处理程序和显示界面，设计建立了一套光子计数探测与成像实验装置，详细介绍了实施方案。该实验装置实现了光子计数脉冲信号的探测、处理与显示，为微弱光学辐射信号的探测与超快速成像研究提供了实验平台。

光栅作为小型光谱仪器分光系统的核心,采用不同种类的光栅制作分光仪器时其结构形式也不尽相同。文中为设计一个工作波段在340～800nm,分辨率优于15nm,谱面长度28.71mm的比色仪光学系统,通过对比常见光谱仪结构的优缺点,选择平场凹面光栅作为最终的结构形式,采用长波通滤光片实现对二级光谱重叠的消除,并对比色仪光源系统进行设计,平场凹面光栅光学系统分辨率优于10nm,全系统大小约为190mm×15mm×60mm的光学装置,平场凹面光栅采用市场现有的光栅。不仅满足设计要求,而且元件较少,有利于装调和批量化生产。

限于常规波长定标的局限性,构建了高分辨率紫外-可见成像光谱仪波长定标装置。该系统主要由具有高稳定性的300W氙灯系统、前置施瓦兹型聚光镜、高光谱分辨力的中阶梯光栅单色仪以及后置光学系统组成。利用ZEMAX光学设计软件,对该中阶梯光栅单色仪光学系统进行了优化设计。对设计结果进行了分析,设计结果表明,所设计的高分辨率紫外-可见成像光谱仪波长定标装置满足设计指标要求,扫描光谱范围270～500nm,光谱分辨力小于0.05nm,波长精度小于0.05nm。

根据高分辨力、大视场的要求,考虑到市售探测器的限制,提出了视场分离分光的方法,分析了视场分离分光的原理。利用此方法设计了一个星载高分辨力、大视场高光谱成像仪光学系统,该系统由11.42°远心离轴三反消像散（TMA）望远系统和2个Offner凸面光栅光谱成像系统组成,运用光学设计软件CODEV对高光谱成像仪光学系统进行了光线追迹和优化,并对设计结果进行了分析,分析结果表明,光学系统在各个谱段的光学传递函数均达到0.7以上,完全满足设计指标要求。

根据高精度干涉仪镜头的工作状况,给出了平放时镜头的装卡方式。用Ansys Workbench有限元分析软件对镜头由重力、支撑结构所导致的面形变化进行仿真分析,在对光机结构进行有限元分析的基础上,反复优化镜头机械结构设计,从而使支撑结构引起的系统误差降到最低,以Zernike多项式为接口工具拟合镜面变形,评估了该支撑结构对镜头光学性能的影响。分析结果表明,在该支撑方式下,干涉仪镜头引入的波像差的均方根值RMS〈1/50λ,满足像质要求。