激光耦合隧道结器件是国际前沿研究热点，伴随产生的电磁场局域增强或光整流等效应在等离激元光镊、单分子成像、单光子光源等领域有着重要的应用价值。为了解隧道结中的光电相互作用和特性，首先利用反馈电沉积制备获得了固态隧道结纳米器件，然后测定了激光功率、偏置电压、偏振方向和调制频率与光电流的关系，并结合有限元法和时域有限差分方法进行理论仿真，讨论了器件中光电流的组分及相关效应。结果表明，器件局部热膨胀效应、热伏效应和热载流子效应为光电流产生的主要原因，而光整流效应因受限于激光峰值功率，其结果并不显著。这些发现可为固态隧道结器件中的光学调控以及在纳米尺度上研究激光调制电子隧穿过程提供参考。

自由曲面具有灵活的面形结构，用于光束调控可获得高性能、轻小型的系统，可创造新的结构形式和实现新的光束调控功能。自由曲面光束调控是一个根据输入和目标反求光学自由曲面的逆问题。Monge-Ampère（MA）方法基于理想光源近似，将自由曲面光束调控逆问题转化成一个带有非线性边界条件的MA方程。MA方法无需预先给定光线落点位置，而是通过控制曲面的高斯曲率分布来实现对光传输的高效灵活调控，被认为是当前最有效的可自动满足曲面连续性可积条件的自由曲面设计方法。对MA方法的研究进展进行了概述，详细介绍了自由曲面光束强度调控模型，以及自由曲面光束强度和波前同时调控模型的构建过程与求解方法，并通过三个设计实例充分展示了各类光束调控模型的有效性和MA方法的优势。

基于光谱成像技术的手术导航通过分析不同组织的光谱差异，能够有效识别各类组织，具有重要的应用价值，但目前光谱成像的采样速度和光谱图像的呈现方式极大地限制了其在临床中的应用。提出面向手术导航的增强现实计算光谱成像系统，通过使用RGB成像器件和多光谱单像素探测器，实现单次成像下的高质量光谱重构，极大地提升了成像速度和重构效率；采用主成分分析和光谱角制图提取光谱图像的有效信息，突出特征组织区域；展示了头戴式增强现实显示设备中光谱图像与实际手术区域融合后实现的图像增强效果。

提出了一种具有低偏振像差的偏振分色合色系统的设计方法。通过优化设计得到的结果为:短波通膜透射曲线的S、P偏振分离为1.9 nm,长波通膜透射曲线的S、P偏振分离为0.8 nm;短波通膜和长波通膜合成的S、P偏振位相差在整个工作波长420～680 nm为小于29°且大于-10°,相比常规的偏振分色合色系统,偏振像差得到了显著改善。

微型化、轻型化的穿透式平板显示是近年来穿透式头盔显示的主要发展方向。本文针对传统的 45°倾角半透膜阵列式平板显示的鬼像产生问题进行分析，提出了一种改进型的平板显示结构。通过减小膜层倾角，不仅使得各视场光线在波导中的倾角增加从而保证出瞳扩展，而且改变了产生鬼像光线的传播路径。同时，采用有膜层和无膜层的双层波导结构以及特定的尺寸限制，有效地约束鬼像产生的条件。根据分析计算，设计了一种膜层倾角为 24°的系统结构，实现了水平和垂直方向的二维扩展，以及 20°水平视场和 13.4°垂直视场的显示输出。

立体视觉测量系统的空间分辨力随着物体的空间位置和移动方向的变化而变化，系统的空间分辨力高低在很大程度上会影响整个系统的测量精度。本文根据立体视觉测量系统的成像公式，对整个系统观察范围内的所有空间点的空间分辨力进行了详细分析与计算。结果表明，两个 CCD夹角在 80°~100°时系统的空间分辨力最高，并且 X方向的空间分辨力整体上高于 Y方向， Z方向的空间分辨力变化相对较小，最终的实验结果和仿真结果相吻合，根据系统空间分辨力的分布规律，本文制定出了制出了空间分辨力最优的立体视觉系统的参数设置方案。

A full-parallax three-dimensional (3D) display using a new directional diffuser is demonstrated. The display could present 3D images with 45 views comprising 9 horizontal views by 5 vertical views. The resolution and size of the 3D images displayed are 226￡226 pixels and 300￡300 (mm). The new directional diffuser consisting of two perpendicular lenticular sheets can be widely used in the display domain owing to its low cost and simple process.

离轴照明是现代投影光刻中的一种重要的分辨率增强技术。针对不同的照明模式要求，提出了一种利用自由曲面来实现离轴照明的方法。根据入射面和目标面之间的坐标拓扑和能量守恒关系,利用数值求解法得出自相应的折射式自由曲面并对结果进行模拟，分别设计了环形、二极和四极照明，照明效率均达到90%以上，照明均匀性均优于93%。结果表明，可以满足193 nm投影光刻照明系统的设计要求。