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。

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。

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。

为了弱化或消除LED失效对均匀性的影响, 提出了一种基于复眼透镜的匀化光斑整体累加方案.该方案先对单颗LED进行匀化设计, 再通过LED位置误差研究推广至LED阵列, 实现每颗LED在曝光面上均能产生相同大小的匀化光斑.然后利用软件进行仿真, 设计了一款曝光光源, 并搭建了相应实验平台.该光源最大辐照度值为18.2 mW/cm2, 均匀性为86.9%, 完全满足实际曝光指标.在此基础采用遮挡光源的方式模拟不同位置的LED失效, 进行了辐照度均匀性实验.结果表明, 少量LED失效对辐照度均匀性的影响在1%以内, 甚至LED阵列接近一半失效时均匀性仅下降5%.该设计方案可长期维持辐照度均匀性, 更适用于实际生产.

针对320×240像素非制冷红外焦平面探测器, 设计了一个工作波段为3.7 μm~4.8 μm的红外变焦光学系统。该系统由6片全球面透镜组成, 采用硅和锗两种常见的红外材料, F数为2.5, 后工作距为20 mm, 可以实现15 mm~150 mm范围内连续变焦。设计评价结果表明: 光学系统在探测器奈奎斯特频率16 lp/mm处, 变焦范围内全视场MTF大于0.6, 0.7视场MTF接近0.7, 整体接近衍射极限。焦平面探测器敏感元能量集中度大于70%, 具有大相对孔径、长工作距、全球面的特点。在-20 ℃~60 ℃温度范围内, 成像质量满足设计要求。

为了满足新形势下闭路监控系统(CCTV) 对拍摄视场和高清分辨率的要求, 设计了一款复杂化的反摄远型全球面结构的CCTV镜头。该镜头的全视场为80°, F#为3, 焦距为5 mm, 光谱范围为486 nm~656 nm。采用像元尺寸为7.5 μm×7.5 μm, 1.27 cm(1/2英寸)的CCD成像。该镜头在奈奎斯特频率67 lp/mm处, 全视场MTF接近0.65; 在1/2奈奎斯特频率处调制传递函数(MTF) 大于0.85; 在220 lp/mm处, 全视场MTF大于0.3, 已经接近衍射极限。镜头像面波前PV值为0.077 9λ, RMS为0.015 9λ, 达到了瑞利判据的要求。设计评价结果表明, 该镜头像差校正满足CCTV监控镜头的成像质量要求。

受视场角限制，由单点探测器构成的外差系统不能充分接收信号光功率。若用阵列探测器代替单点探测器进行探测，可以增大接收视场，从而增强接收的信号光功率。在考虑到热噪声、光电流饱和效应的前提下，对这种阵列探测系统的信噪比进行了分析。结果显示，相对于单点探测系统，阵列系统能较大幅度地提高信噪比。分析结果指出，由于叠加的热噪声存在，当阵列中单元数增加到一定数量后，信噪比不能得到进一步提高。还对非等相位叠加因素对系统性能的影响进行了分析。由于系统输出信号是各探测单元输出信号的叠加，实际应用中不可能实现完全的等相位叠加，通过数值计算，分析了该因素的影响，并指出它可以在硬件设计过程中得到有效控制。

为了在光学相控阵中实现双波束成形和2维扫描，以玻璃作为基底材料，以液晶作为移相介质，利用液晶的电控移相特性，对入射光束进行双波束成形和相控空间扫描; 采用现场可编程门阵列芯片对液晶驱动芯片进行波控数据发送，完成对液晶移相阵列的电压驱动，从而达到电控光束扫描功能，完成单个透射型液晶光学相控阵组件的研制; 利用该组件的电控光束扫描功能，采用多个组件级联的方式，实现基于透射型液晶光学相控阵组件的双波束成形和2维扫描技术。结果表明，该系统能够实现双波束独立偏转控制，以及高精度的空间2维偏转。

激光测距仪的测距精度是衡量其性能的重要指标。本文设计了测距精度检测系统, 可实现 1 064 nm、1 540 nm、1 570 nm三个波长的测距仪精度检测。该系统由激光距离模拟器和激光辐射模拟器组成, 辐射模拟器可产生脉宽 5～250 ns、最大峰值功率 0.1 W的回波脉冲; 基于 FPGA的距离模拟器可以实现 50 m～990 km的大量程距离模拟。本文提出并实现辐射模拟器和距离模拟器的闭环检测, 以此测量消除系统固定误差。经过检测该系统全量程内距离模拟误差都小于 1 m。

为了实现大振幅、高带宽振动的非接触精密测量, 本文提出了一种全新的光学测量系统。两束相干光的远场干涉条纹位置与两束光之间相位差有关, 相位差的变化将引起干涉条纹移动。获取主条纹的位置, 可以计算两束光之间的相位差, 基于此可以还原物体的振动位移量。对振幅为 10 μm的单频余弦信号以及频率为 44.1 kHz的声音信号仿真还原结果表明, 本文所提光学系统和还原算法可以还原出亚微米级的振动信号, 并能准确还原出音频信息。