二氧化碳（carbon dioxide, CO2）浓度监测是实现碳达峰、碳中和的重要基础，非分散红外（non-dispersive infrared, NDIR）检测技术作为温室气体测量领域应用最为广泛的技术之一，如何有效抑制温度漂移、确保长期监测数据的稳定性和可靠性是研究重点。实验表明，光源光功率、气体吸收线强、滤光片中心波长等容易受到环境温度影响。文中提出一种红外气体检测的温度补偿方法，研制了用于大气二氧化碳浓度红外检测的分析仪。选取以 4.26.m为中心波长的 CO2气体吸收线；利用高低温试验箱，对分析仪进行温度补偿实验研究；配置标准 CO2气体浓度，对分析仪进行浓度标定实验研究。测量结果表明，红外 CO2气体分析仪浓度测量稳定，温度补偿显著，具有快速响应、应用范围广等优点。该红外 CO2气体分析仪为陆地生态系统碳收支监测等领域提供可靠数据支撑。

为了解决在现有道路照明条件下，因环境照度不够、环境光强快速变化等原因，造成车辆对周边物体自动识别的准确率低的问题，本文通过软件仿真，设计了一种车载红外补充照明系统。使用红外 LED作为光源，光源发出的光线经抛物面反射镜准直后，通过单排复眼透镜，在距离光源 25 m处得到均匀性大于 90%的矩形光斑，系统的辐射能利用率达到 98%，通过 30个照明模块组成平面阵列，目标照明面的平均辐照度大于 0.8 W/m2。结果表明，采用单排复眼透镜实现匀光，其结构简单，装配公差宽松；本设计方法适用于其他照明系统。

二氧化碳(CO2)是温室气体的重要组分之一，实时检测其浓度变化对缓解温室效应等方面具有非常重要的意义。非分散红外(Non-dispersion infrared, NDIR)法具有稳定性好、响应速度快、测量范围宽等优点，广泛应用于便携式气体检测等领域。首先分析了NDIR法应用在CO2检测领域的优点，并对NDIR检测原理进行了简单的概述。然后对NDIR气体分析仪的基本结构进行了详细阐述，并对测量系统的经典气体标定方法进行了综述。最后综合分析了NDIR的特点，并展望了未来的发展趋势。

为了满足用户对虚拟现实头戴显示器大视场和高分辨率的需求, 采用逆向设计方法, 通过理论计算与软件仿真, 设计了一种同轴大视场虚拟现实型头戴显示器的光学结构。结果表明, 每个通道采用3片非球面透镜, 全视场角为90°, 出瞳直径为8mm, 出瞳距离为13mm, 在奈奎斯特频率10.58lp/mm处调制传递函数大于0.3, 最大畸变为6.1%; 与参考文献相比, 此结构分辨率高、畸变小、像差平衡合理。该设计为优化大视场头戴显示器的光学结构提供了参考。

针对视频信号不兼容, 显示分辨率不匹配的问题, 设计了一种基于FPGA的视频信号转换硬件结构系统。首先通过信号解码模块将输入的视频信号解码, 然后采用地址复用的方式进行控制两片外部存储器件DDR2进行帧频转换, 最后使用查找表的方式实现双三次插值算法对图像进行放缩。提高了代码的复用率, 降低了计算复杂度, 最终实现了将输入信号分辨率范围为640×480到1 920×1 200, 传输协议为VGA、AV、DVI的视频信号, 统一转换成LVDS输出的分辨率为1 600×1 200, 刷新频率为60 Hz, 像素时钟为162 MHz的输出信号。经实验测试, 本系统能够充分满足视频格式转化和分辨率提升的需求, 能够在广泛的应用领域里解决数据传输的格式不兼容问题。

为了满足虚拟现实头戴显示器大视场、大出瞳和高成像质量等要求, 采用非球面透镜设计了1种3片式虚拟现实头戴显示器光学系统, 对光学系统进行了公差分析。结果表明, 光学系统的平均调制传递函数（MTF）值均满足传递函数的要求；系统视场角为90°、出瞳直径为8mm、系统重量为33.67g、总长小于60mm、频率为9.31lp/mm时的MTF值均优于0.272, 最大畸变为8.17%, 最大垂轴色差为36.2μm, 小于一个像素尺寸；与已有研究相比, 增加了视场角、出瞳直径和出瞳距离等参量的信息, 提高了成像质量。该研究为沉浸式头戴显示器的光学设计提供了参考。

目前头戴显示器体积大、重量大、视场角小, 为了满足用户对轻小型头戴显示器的使用需求, 以冉斯登目镜为初始结构, 采用ZEMAX软件对其优化, 并进行了像质评价和公差分析。结果表明, 双目系统中的每个通道仅使用两片透镜, 光学系统的最大视场角为80°, 总长为54.24mm, 最大畸变小于4.7%, 两片透镜重量小于11.5g, 与相关研究比较, 增加了视场角和像素数量, 减小了体积, 提高了调制传递函数。该头戴显示器具有一定的市场前景, 能够为轻小型头戴显示器的光学设计提供参考。

针对直下式LED背光模组厚度大的缺点,设计了一种带有圆台的超薄直下式LED背光模组。通过调整圆台斜面角度和底面直径,来改变LED灯珠光强极大处的指向和位置,降低混光高度。利用圆台、圆锥、反射隔板构建正六边形照明单元,用TracePro软件模拟不同的排列间距、混光高度、圆锥尺寸对均匀度的影响。结果表明：当排列间距为26 mm,混光高度为16 mm,圆锥高度为10 mm时,均匀度达到了94.27%。该背光模组在确保高均匀度的同时极大地降低了厚度,为直下式背光模组的轻薄化提供了理论依据和研究方向。

为了改善传统的数字光处理投影系统(DLP)体积较大、结构复杂、成本较高、对光源的利用效率较低的问题, 采用一种基于单颗三色发光二极管作为照明光源, 单颗透镜形成平行光的新型DLP投影光路结构的方法, 对传统光路进行了改进与优化。无需传统光路中的色轮, 透镜直接实现了传统投影光路中聚光和匀光的复杂结构, 并利用TRACEPRO软件进行建模, 通过光线追迹对该投影光路进行了光学分析。结果表明, 整个光学系统的体积控制在76.8mm×32.2mm×25mm, 光能利用率达到了60.1%, 光斑均匀性达到了96.6%, 屏幕表面的光通量为21.7lm。该研究减小了投影光路体积, 简化了光学结构, 提高了光能利用率。