视场大小是评价头盔显示器在虚拟现实等领域的关键性能指标, 为了克服视场增加带来各类像差急剧增大的困难, 提出了一种基于双自由曲面的大视场头盔显示光学系统。首先, 分析了双椭球结构实现大视场与低畸变的基本原理, 指出了其难以校正除畸变以外其他像差的原因。接着, 提出根据系统对称性和光路走向采用竖直方向对称、水平方向不对称的自由曲面反射镜校正离轴像差, 完成了基于双自由曲面反射镜的大视场头盔显示光学系统设计。系统视场范围为106.3°(H)×80°(V), 最大相对畸变为6.97%, 出瞳直径8 mm, 点眼距19 mm。单目系统向外倾斜8°时, 双目视场范围为122.3°(H)×80°(V), 双目重叠视场为90.3°(H)×80°(V), 瞳距在55~71 mm范围内可调节。对系统性能分析结果表明: 相比双椭球结构, 系统成像质量得到较大提高; 视场范围和相对畸变满足虚拟现实领域的应用要求。

针对离轴三反光学系统初始结构求解复杂、视场宽度小的问题, 提出了利用光学传递矩阵求解三反系统初始结构的计算方法, 推导了三反系统焦距和后截距的表达式, 求解了光阑位于次镜的三反系统初始结构。采用引入高次非球面以增加系统设计自由度的技术路线, 基于ZEMAX光学设计软件, 通过对同轴初始结构进行离轴优化, 得到了一个矩形视场17°×2°, 焦距1 440 mm, F数4.8的离轴三反光学系统。该系统三个反射面均为高次非球面, 可同时满足宽视场角和高分辨率的要求, 在空间频率50 lp/mm处, 调制传递函数大于0.6, 接近衍射极限。结果表明: 该系统搭载线阵/面阵时间延迟积分电荷耦合元件(TDI-CCD)用于推扫/多通道式空间对地成像时, 可有效扩大空间对地成像系统的地面覆盖范围, 提高信息获取效率。

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。

：激光的强相干性造成了激光投影显示中出现大量干涉条纹和散斑，为了消除干涉条纹和散斑对图像质量的影响，采用旋转新型散射体(Engineered DiffuserTM)的方法在一定积分时间内获得叠加的清晰图像。首先，介绍了激光投影显示中散斑的成因及采用时间平均抑制散斑的理论依据。接着，分析了传统散射体毛玻璃和Engineered DiffuserTM在结构及功能上的区别。最后，建立了旋转新型散射体抑制散斑的激光投影显示实验装置，对比验证了旋转新型散射体抑制散斑的效果。实验结果表明：散斑对比度降低到3.08%，图像质量良好，无明显干涉条纹。该方法满足商用激光投影显示体积小、简单易行等要求。

为了缩短超短焦距投影仪的机械总长,克服传统离轴超短焦距投影系统的装调困难,降低系统的设计难度,设计了一种同轴的超短焦距投影系统。首先,通过分析像差与系统总长的关系,证明了需要保证系统总长的必要性。然后,通过镂空非球面反射镜中心部分,利用平面或球面反射镜折转光路,提出了一种新的设计超短焦距投影仪的方法。在保证光学总长的同时缩短了机械总长,提高了空间利用率,解决了同轴折反系统中存在挡光的问题。最后设计的系统总长为215 mm,投射尺寸为100 in。系统的投射比为0.17,物方NA为0.2,焦距为1.66 mm。各个视场传递函数在内奎斯特频率处达到0.5以上,各指标都满足了投影系统的要求。同时,在透镜个数相同的情况下,系统的性能都优于传统的投影仪。

以色度学理论为基础,分析和测试了激光与LED混合新型投影光源的亮度和色域覆盖范围,并与传统的超高压水银弧光灯进行比较.新型投影光源不仅亮度很高,在使用较长时间后亮度无明显衰减,而且色域覆盖范围更加接近与人眼,色彩表现更加丰富、有层次感,真正符合高亮度、高色彩还原能力的投影显示效果的需求.采用激光与LED相结合的方式作为照明光源,既解决了单独使用LED光源时亮度始终不够的问题,又能有效地减少环境污染.因此,激光和LED混合投影光源凭借无法比拟的优势可以替代传统光源以满足投影显示色度学的要求.

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.

为了提高可探测极限星等能力，观测到更多较暗较远恒星作为深空探测飞船导航定姿的参考星，设计了采用改进的卡塞格林结构与三片球面补偿镜组相结合的折反式星敏感器光学系统。其中，改进的卡塞格林结构有利于轴外消球差及彗差，同时生成系统焦距及大尺寸入瞳；靠近像面的补偿镜组校正反射结构的残余像差，同时补偿镜组像方远心的设计保证了系统全视场照度的均匀性，也降低了系统离焦对像面安装的敏感性。本系统焦距180 mm，像方F数2，全视场2ω为3°×3°，有效入瞳面积5106 mm2，在450~800 nm的宽光谱范围内质心偏差优于2.5 μm、垂轴色差小于3.5 μm，80%弥散斑能量集中在3×3 pixel内，传递函数接近衍射极限。采用主次反射镜遮光罩及两级外镜筒遮光设计，并在Lighttools软件中对光机系统杂散光模拟分析，设计结果表明在2°~40°杂光源成像视场范围内，点源透过率在10-6~10-4量级，该系统设计方案及结果可为用于深空任务的星敏感器系统的参考依据。

设计了一种空间交会对接探测器光学系统。系统根据超焦距原理增大光学景深，通过像方远心光学结构，解决了变化物距下标志灯信号光在CCD成像面上成像质心不稳定的问题，应用改进的库克物镜结构有效地校正了对成像质心位置影响较大的垂轴像差。光学系统光学总长为36 mm，系统采用6片透镜元件，全部为球面结构，均为普通商用玻璃，避免了特种玻璃的使用。在800~880 nm波段，0.5~130 m物距下，系统的光学绝对畸变设计值优于±1 μm，视场角探测设计精度近似10″。设计的系统探测精度高，制造成本低，结构紧凑，适用于高精度空间飞行器交会对接领域。