为建立目标表面的真实彩色三维点云数据模型, 以编码标志点作为定位介质, 利用目标的无色点云和彩色图像, 提出一种三维点云颜色复原方法。在目标附近放置多组编码标志点, 用基于激光线的三维扫描设备获取目标无色的三维点云和编码标志点信息; 用彩色相机从多视角采集目标及编码标志点的彩色图像, 通过Canny边缘检测及亚像素定位算法得到编码标志点的图像坐标; 再利用改进的直接线性变换法由编码标志点的世界坐标值及像素坐标值求解出相机相对世界坐标系的位姿矩阵, 通过相机成像模型建立点云与彩色图像像元的映射关系; 最后, 利用插值法计算局部点云的颜色并完成整个点云颜色的融合。采用该方法对多个模型进行了颜色复原实验, 彩色三维点云的颜色空间位置偏差小于0.6 mm, 重建效率为7.3×104 point/s, 彩色三维点云与目标相似度高。该方法可以实现目标彩色三维点云重建, 计算精度和效率均能够满足使用需求。

激光照明应用当中激光的高斯分布和散斑现象极大地影响了照明质量，为了将激光器出射的高斯分布的激光整形成类似平顶分布，同时对散斑进行抑制，实现均匀的激光照明，对随机漫射体抑制散斑的可行性进行了探讨。设计了一套基于“随机微透镜阵列”的激光照明系统，可实现出光孔径2 mm，半发散角18°的平顶均匀激光照明。并对比了在此种结构下采用石英玻璃棒和自聚焦透镜作为光导元件时光斑质量的区别，对光斑的分布及散斑进行了测量，验证了此种方法能够将散斑对比度降低到4.84%，极大地提升了激光照明质量。

根据激光通信及共口径技术基本原理,对共口径自由空间激光通信光学系统的参数进行了分析,并设计得到了一套离轴式共口径激光通信光学系统。系统光学天线采用离轴两反结构,有效通光口径为160 mm,光束压缩比为10∶1,跟瞄系统采用无焦望远结构,最大跟踪视场为±1 mrad,最佳跟踪精度为2 μrad。利用Zemax软件对系统进行了光线追迹和性能分析,结果表明系统性能优良,波像差优于0.1λ(λ=632.8 nm),并且结构紧凑,公差合理,装配简单,能满足实际应用的需求,对实现中地球轨道(MEO)自由空间激光通信具有一定的工程意义。

明确了几种三反和四反结构的性能优劣，进而获得一种性能优良的中高轨空间详查光学系统的设计方案。针对同一种光学设计技术指标，分析了空间详查相机的各项主要参数，利用Zemax光学设计软件设计了同轴三反射镜，一次中间像离轴三反射镜和无中间像离轴三反射镜3种三反光学系统以及同轴四反射镜，无中间像离轴四反射镜和一次中间像离轴四反射镜3种四反光学系统，均满足指标要求。对比了上述系统的优缺点，在综合考虑当前的光学加工、检测、装调的可行性以及高分辨力空间对地成像技术发展先进性的基础上，决定选用有一次中间像的离轴四反射镜光学系统作为最终方案，得到了有效焦距29 m，F 数9.7，视场角1°×0.3°，外形尺寸3200 mm×6489 mm×8194mm 的空间详查相机光学系统。对该光学系统的性能进行了模拟和验证，结果表明该光学系统的分辨率、传递函数、像差、畸变等各项性能优异。

为了消除散斑现象,对随机漫射体抑制散斑的可行性进行了探讨.分析了“随机微透镜阵列”作为随机漫射体在光束控制和光能利用率方面的优越性,并提出了在光学系统中加入转动“随机微透镜阵列”的方式抑制散斑.对加入这种结构后屏幕上的散斑进行了测量,验证了此种方法可以将散斑对比度降低到115%,使人眼分辨不出激光散斑,提升了激光电视的观看效果,并与传统的转动匀光棒法进行对比,体现了此种方法出色的抑制散斑的能力.

利用60吋全固态激光电视样机, 建立了原有的电视色度信号向激光电视色度信号转换的模型。根据激光显示的特点, 推导出以三色激光( 红: 660 nm, 绿: 532 nm,蓝: 457 nm)为三基色的激光电视颜色系统与荧光粉电视三基颜色系统的矩阵转换关系。利用解码模块、现场可编程门阵列(FPGA)色域转换模块和编码模块搭建了激光三基色系统和普通电视三基色系统的色域转换电路, 分析了电路中各个模块的作用及整个电路的工作过程, 实现了对高清视频信号的色域转换。对比了不同颜色在转换后的激光电视上与荧光粉电视上的显示效果, 对11个特征颜色的测量显示, 其色域转换误差小于9.8%。实验取得了很好的色域转换效果, 成功地验证了高清激光电视的色彩复现能力。

针对空间对接时某些载荷表面喷涂的涂层受原子氧剥蚀的影响发生反射率退化,从而改变涂层成像特性的问题, 本文利用反射率退化一般规律数学模型计算出了在空间经常使用的SR107-ZK白漆两年衰减后的反射率理论值, 并根据此理论值为光学系统选择了适当的CCD。按照地球低轨(LEO)飞行两年的太空环境条件, 对SR107-ZK白漆试块进行了单一原子氧辐射试验。结果显示, 1.8×1022 atom/cm2原子氧通量辐射后的试验数据为0.814, 与数学模型模拟计算的数值0.793较为接近, 说明了数学模型理论的正确性。对辐射后的试块进行了成像试验, 结果表明CCD的合理选择是光学系统对反射率下降试块良好成像的关键, 进一步证实了数学模型的可靠性, 为今后此类工作提供了重要的依据。

设计了大视场头盔显示器的目视光学系统，用于满足头盔显示器对大视场、小畸变、高分辨率以及轻量化的苛刻要求。采用4×3阵列式排列、视场角为33°×24°的12组高质量成像目镜系统拼接成单眼目视光学系统来实现系统的大视场设计。为了使系统轻量化，每个单元目镜只采用一片透镜; 透镜一面采用二元光学衍射面，利用其特殊色散特性校正目镜系统色差; 另一面采用非球面，用于校正目镜光学系统的初、高级单色像差。其图像源为高亮度、高分辨率的OLED微显示器。设计结果显示：单目目视光学系统水平视场达到120°，垂直视场为60°，角分辨率为43 pixel/(°); 单个目镜系统传递函数在40 lp/mm处，轴上视场高于0.62，全视场高于0.1; 系统畸变小于3%; 系统的双目视场为160°×60°，双目重叠视场为80°×60°。该设计实现了超大视场，满足头盔显示光学系统的成像要求。