给出了环状光束在柱坐标系下的一种描述模型,并利用广义衍射积分理论,推导出环状光束经过近轴ABCD光学系统的传输公式。在此基础上,通过数值模拟方法定量分析了环状光束的聚焦光强分布以及焦面处的桶中功率。研究结果表明,环状光束的聚焦特性与光束阶数以及系统菲涅耳数有关;环状光束在实际焦面和几何焦面上的桶中功率均随着遮拦比的增大而降低,而随着系统菲涅耳数的增大而增大。在实际工作中,通过合理地选取系统菲涅耳数和光束遮拦比可以有效地控制环状光束聚焦后的光束质量。

在三阶矢量波像差理论的基础上，建立了系统内失调量与系统波像差Zernike系数的关系式，并以共轴三反射光学系统为数学模型进行了仿真分析．结果表明，基于矢量波像差理论的装调技术可行，并可用于大型光学系统的装调．利用该理论对一共轴非球面三反系统进行装调，最终使系统波像差RMS〈0．080）λ．

针对离子交换实验的定源扩散，提出了一种求解正六边形自聚焦透镜折射率分布的理论模型．并在此基础上采用分离变量法和坐标变换，求得了正六边形自聚焦透镜折射率分布的解析解．通过Matlab对该解析解进行了模拟比较，定性、定量地证明了其正确性．

研制了一种双微通道板（Microchannel Plate，MCP）双选通型软X射线分幅相机．该相机采用两块厚度为0．5mm的MCP，近贴放置成“V”形结构，用两列高压脉冲依次选通两块级联的MCP，通过控制两列脉冲之间的延迟时间，利用微通道板的电子渡越时间效应和非线性增益的相互作用，以损失一部分电子为代价获得比单MCP（60ps）选通相机更短的曝光时间，并且可以降低直穿X射线造成的背景光噪音．

建立了一个基于新型光学／数字成像系统（三次位相板编码系—CPP系统）的信噪比模型．该模型主要考虑了读出噪音及散粒噪音两种探测器噪音，同时加入光学系统调制传递函数（Modulation Transfer Function，MTF）的影响，考虑不同空间频率下噪音对信号的影响，推导出频率信噪比模型．利用该模型对一个光学／数字成像系统进行信噪比分析，结果表明，利用该模型进行分析后此光学系统可达到的理论焦深扩展范围为5个波长．

为了减少二元光学元件设计的计算量并提高设计精度，在对现有算法机理进行深入分析的基础上，提出了适用于二元光学元件设计的两步模拟退火法．该算法在整个退火过程中采用先量化后优化的策略，并将优化过程分为两个阶段：搜索并锁定最优解区间；快速收敛到最优解．模拟实验显示，与传统设计方法相比，该算法不仅保持了全局寻优的特点，而且提高了稳健性和效率．算法剔除了对设计结果影响较大的量化误差，提高了设计精度．用此法实例设计了单焦面辐射聚焦元件，得到了与目标图像一致的光学实验结果．

利用虚拟仪器开发软件LabVIEW设计了一套高准确度光声成像系统，整个系统在GPIB总线技术基础上，构架了由超声传感器、数字示波器、可调谐激光器、个人计算机等组成的硬件平台，并开发了配套的控制软件和高抗噪音图像重建算法．在活体脑结构成像中，实验鼠的左右脑、小脑、脑横裂和脑主动脉等脑结构成像清晰，大脑皮层的血管分布特征得到了完整的再现，系统成像分辨率可达200μm．该系统和方法可望发展为一种无损伤的生物组织结构与功能成像．

建立了用于DNA分析的激光诱导荧光检测毛细管电泳系统，分析了垂直入射激发光在毛细管中的行进和高分子溶液电泳筛分介质的瑞利散射及毛细管壁折反射引起的激发光背景噪音．利用光线追迹法计算了折反射引起的背景噪音随激发光和收集方向角度不同时的分布曲线以及荧光在各个方向的分布曲线．两种噪音比较表明，散射噪音比激发光背景噪音低4个数量级，可以忽略．模拟表明，光轴方向荧光最强，90°方向最弱，变化在6．5％内．激发和收集方向成105°时，背景噪音最小，可以获得最大的信噪比，最后对模拟结果进行了实验验证．