为了突破长焦物镜传统设计中的局限性,从衍射面的相位多项式出发,结合一般透镜的相位变换式,对折衍混合消像差理论进行了探讨。给出了仅使用1种材料FK1、2片型的长焦物镜系统设计结构,并将此设计结果与传统的5片型、5种材料的纯折射长焦物镜的光学性能进行了比较。结果表明,利用折衍混合能有效地校正长焦物镜的像差,极大地降低系统的重量和复杂程度,不失为长焦物镜设计的一条有效途径。

根据衍射光学束匀滑器件透过率函数的自相关系数,重新定义了表征衍射光学器件(DOE)焦面光强分布束匀滑性能的两个参数:光能利用率和顶部不均匀性.此种定义是对利用衍射光学器件焦面光强分布的空间频谱进行的性能参数定义的一种近似,对于精细化设计,两种定义计算结果非常吻合;而对于传统设计,两种定义计算结果有较大偏差.当衍射光学束匀滑器件与光谱色散平滑(SSD)技术联合使用时,模拟计算结果表明,对于精细化设计与传统设计,定义的性能参数均能反映衍射光学器件的实际使用性能.

以角反射器远场衍射理论为依据,提出了利用角反射器参数补偿速差的技术方案.即通过改变角反射器参数的大小,使得接收光斑的极值中心刚好回到测站位置,以弥补速差效应的影响.采用角反射器衍射光学理论与采用传统理论所得的卫星角反射器补偿角之间存在差异,这种差异随着轨道高度的不同而发生变化.以德国Champ卫星上角反射器为例,运用角反射器衍射光学理论进行了设计,设计所得的单角误差-3.70″与Champ卫星提供的-3.8″非常相近,而且按两者结果模拟得到的接收强度仅相差0.6%,从而验证了设计方法的正确性和可靠性.

传统光子筛在大口径成像领域具有衍射效率低和制造数据量巨大的缺陷,这导致它们很难在实际应用中被采用。本文提出了一种复合型光子筛,该复合型光子筛将普通光子筛半径的中间1/3部分用波带环来替代。仿真结果显示,采用这种设计的光子筛不仅可以有效减小制造数据量,还能提高衍射效率。我们在成像试验中对比了具有相同特征尺寸的普通光子筛和复合型光子筛,结果显示复合型光子筛能够减少38%的设计数据量并且具有更高的成像对比度。因此,这种复合型光子筛在大口径X射线成像领域中具有很好的应用前景。

讨论了多层衍射光学元件的光学成像性质．给出了优化设计多层衍射光学元件最大光栅厚度的方法，分析了构成多层结构的每块单层衍射元件的衍射效率对整体衍射效率的贡献作用．在0．436～0．656μm的可见光波段，多层衍射光学元件最低衍射效率可达到98％以上，克服了单层衍射元件偏离设计波长后衍射效率显著下降的缺点，改善了宽波段衍射效率．将多层衍射光学元件应用在折、衍射混合光学系统中能够明显提高系统的成像质量．同时使得光学系统体积减小，重量减轻，并且在某些系统中可以避免使用昂贵的特殊材料，从而可以降低光学系统的成本价格．

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．

讨论二元平场透镜的光学特性和象差。这种透镜不引入光焦度，当物体们我限远处孔径光阑与透镜重合时，不产生初级球差、彗差、轴用和轴外色差，但是它对场曲、畸变和轴上色差有贡献。给上用于校正双胶爱镜组的场曲的二元透镜实例。计算结果表明，二元透镜在平场光学系统中具有实用价值。