车载抬头显示系统（HUD）通过挡风玻璃反射形成虚像，由于存在光学系统像差，实际虚像并非呈理想平面分布。在现有HUD虚像测量方法中，虚像被视为垂直光轴的平面图像处理，这与实际情况明显不符。为了解HUD虚像的特点，提出利用光线追迹求解最小弥散圆位置来确定眼动范围内HUD虚像像点三维坐标的方法，由此得出不同位置处观察的HUD虚像形貌；进一步建立了基于双目视觉的HUD虚像测量模型，分析了双目基线和相机参数对测量误差的影响，最后对实际HUD虚像进行了三维坐标测量实验。实测虚像形貌与仿真结果基本一致，整体平均相对误差为2.5%。本文方法可以进一步应用于增强现实HUD系统等虚像的三维形貌测量。

提出了一种基于反射式微棱镜阵列结构的车载波导抬头显示系统，分析了反射式微棱镜阵列结构的倾斜角度、区域数量、排列周期以及入射光宽度等参数对杂散光、出瞳扩展连续性、照度均匀度的影响，给出了最佳参数的设计方法。针对10°×5°视场角，130 mm×50 mm眼动范围的车载要求，进行了具体的波导设计与仿真。结果显示提出系统各视场照度均匀度大于64%，可实现全彩显示，整体体积小于6.5 L。提出的结构与方法有望应用于车载抬头显示领域，降低系统体积。

光学扩散片是液晶显示器中的关键元件,兼具广角、高透过率、高均匀性的扩散片一直是液晶显示领域的重要研究目标。基于Helmholtz-Kirchhoff 理论,推导了激光透过粗糙表面的散斑强度频谱分布,提出通过特定入射角度的多个光束依次照射粗糙表面形成散射场叠加曝光的全息扩散片设计方法。该方法拓宽了全息扩散片的散射角度,提升了散射强度的均匀性。搭建了全息扩散片的制作光路,采用上述方法制作了全息扩散片,测量获得的远场强度分布与仿真结果能很好地吻合,散射角的半峰全宽达到130°,透过率达到90%以上,扩散系数达到92%,同时实现了广角、高透过率和高亮度均匀性,在液晶显示中具有潜在的应用前景。

为解决传统柱透镜自由立体投影显示中像差和视几何引起的串扰和视点数受限问题, 基于回归反射, 提出了一种棱镜反射光栅自由立体投影显示方法。通过分析其3D成像的原理, 对棱镜反射光栅自由立体投影显示进行仿真, 发现该方法在水平视宽相同的条件下, 视场照度是柱透镜光栅投影的10倍, 而其串扰比是柱透镜光栅投影的1/5, 且不存在次视区。制作了棱镜反射光栅屏, 并搭建系统进行实验, 验证了棱镜反射光栅自由立体投影显示方案的可行性。

针对折射率调制的表面等离子体全息显示方案, 采用严格耦合波计算方法, 仿真了变折射率薄膜正弦光栅结构参数与衍射效率的关系.结果表明, 银作为表面等离子体激发材料时, 0.2 μm为光栅最优厚度, 在此基础上, 一级次光衍射效率与折射率差值、周期呈正比增长关系.对折射率范围进行了拓展, 确定了折射率调制范围在1.34~1.8、周期为0.9 μm时, 对应的衍射效率可达33%以上.研究结果对于优化设计表面等离子体全息显示结构具有参考意义.

为进一步提高聚酰亚胺薄膜光学器件的表面质量, 提出了一种聚酰亚胺薄膜的反应离子刻蚀抛光方法, 对其抛光原理和抛光实验进行了研究。利用光刻胶流体的低表面张力及流动特性, 通过在聚酰亚胺薄膜表面涂覆光刻胶对其表面缺陷进行填补; 结合聚酰亚胺与光刻胶的反应离子高各向异性等比刻蚀工艺, 将光刻胶光滑平整表面高保真刻蚀转移至聚酰亚胺表面, 从而实现聚酰亚胺薄膜的反应离子刻蚀抛光。实验结果表明: PV、RMS分别为1.347 μm和340 nm的粗糙表面, 通过二次抛光其粗糙度可降低至75 nm和13 nm; PV、RMS分别为61 nm和8 nm的表面, 其粗糙度可降低至9 nm 和1 nm。该抛光方法能有效提高聚酰亚胺薄膜的表面光洁度, 可为以聚酰亚胺薄膜为代表的高分子柔性光学器件的精密加工提供新的工艺思路。

与汞灯相比，紫外 LED波长单一，不能与现有紫外油墨的光引发剂完全兼容，难以实现汞灯的固化效果。本文给出了一种多波长均匀混合的紫外 LED油墨固化系统设计方法。将三种波长的紫外 LED在弧面上排成阵列，采用光学自由曲面，使每颗 LED灯珠均匀照射固化区域，结合照明角度倾斜变化，解决了波长均匀混合与照度均匀技术难题。光线追迹仿真结果表明，在距光源 600 mm的目标面上得到了波长混合均匀，平均照度为 110.7 mW/cm2，照度均匀性为 0.82的照明光斑，该设计有望模拟汞灯的多光谱照明效果，促进紫外 LED在油墨固化中的应用。

基于傅里叶光学的基本原理和稀疏孔径光瞳结构,建立了子镜与衍射拼接主镜厚度误差间的关系模型。在子镜无衍射结构一侧微变形情况下,给出了任意低阶面形误差引入的相位差的一般表达式。以球面变形为例,分析计算了面形误差的容许范围,并采用ZEMAX光线追迹法对结果进行了交叉验证。对于子镜双侧无变形的特殊情况,运用蒙特卡罗方法讨论了子镜间厚度的一致性对拼接主镜成像质量的影响,给出了正态分布条件下衍射拼接主镜相干成像时子镜厚度误差的方差与极值范围。根据理论设计结果加工了两片离轴衍射子镜,开展了双子镜拼接成像性能实验。实验结果表明,衍射拼接主镜能提高等效分辨率。

提出了一种光刻机照度均匀度多点测量方法,该方法利用紫外增强PIN光电二极管,同时快速测量曝光机照面多点的光强,通过在传统电流-电压放大电路的基础上进行改进,同时使用复合放大的方法,大大提高了曝光机照度均匀度多点测量方法的重复性,使每一测量单点测量重复性控制在0.02 mW/cm ²。利用紫外增强PIN光电二极管光刻机光源进行实验,结果表明,多点测量一致性小于0.1 mW/cm ²,且检测的照度均匀性符合要求。

大面积平行光曝光机是印刷线路板(PCB)、显示面板和触摸屏等电子产品重要的制造设备,由于采用复眼结合反射镜的非轴对称科勒照明光路,其曝光均匀度只有0.85左右,难以满足高精度加工制造的需求。针对此问题,提出了采用自由曲面复眼替代传统的球面复眼,建立了高均匀度复眼单元的自由曲面面型设计方法。光线追迹仿真实验结果显示,采用所提方法后曝光均匀度提高到了0.91以上,满足高精度加工制造所需的高曝光均匀度的要求。所设计的自由曲面复眼的面型连续,可以通过金刚石车削进行精密加工,有望在大面积平行光曝光机照明光路中得到广泛应用。