针对现有亚波长抗反射光栅结构参数对加工工艺要求较高且难以制备等问题, 设计了一种方柱形二维抗反射光栅结构。依据等效介质理论和薄膜增透理论对亚波长抗反射光栅结构参数进行仿真分析, 结果表明其透射率在远红外波段20~24 μm平均透射率能够达到98%, 中心波段21.8 μm处透射率达到99%。使用飞秒激光直写方式进行实验制备, 测得平均透射率达77%, 中心波段透射率达到77%, 与仿真结果相近。经实验验证, 所设计的亚波长光栅结构的工艺容差较现有光栅结构更好, 且对实验加工精度要求较低, 为其他类似光栅结构的设计和加工提供了新的思路。

球面光学元件由于其光学结构的影响, 采用机器视觉的方法对其表面疵病进行检测时, 无法将被测面都成像在一个像平面上并且在成像的过程中丢失了疵病的三维信息, 造成了检测的误差。为了解决这些问题, 提出了一种机器视觉与三维重构相结合的检测方法。首先, 根据球面光学元件的特性设计了图像采集平台, 以获得高质量的疵病图像。然后, 通过图像处理算法对疵病图像进行预处理与疵病识别。最后, 基于计算机视觉图像重构技术与球心投影技术, 对疵病图像进行三维重构。实验表明, 该方法提升了机器视觉对球面光学元件表面疵病检测的精度, 可达99%, 具有可行性和研究价值。

单一红外波段的光学系统在无人机对地侦察时接收到目标信息量较少, 也易受环境的影响甚至无法探测到目标, 严重影响了侦察的效率。分析了多波段红外光学系统成像原理及设计方法, 最终选取反射式结构形式设计了一款焦距为50 mm、全视场为12°×10°的离轴三反红外光学系统, 该系统可用于短波红外成像、中波红外成像, 以及长波红外成像。各个波段各个视场下, 该系统的MTF值在奈奎斯特频率30 lp/mm处均接近或达到衍射极限, 其弥散斑RMS值小于探测器的像元尺寸, 各项指标均满足成像质量要求, 扩大了无人机载系统的探测波段范围, 提高了系统的侦察能力。

透射式光学系统中透镜中心偏误差的存在, 影响了光学系统的共轴性, 从而产生了偏心像差, 影响了成像质量。非球面透镜的应用可以减少光学系统的像差, 越来越被广泛使用。为了研究非球面透镜和球面透镜的中心偏误差带来的系统偏心像差的差异, 提出了一种最佳光轴拟合对光学系统中心偏误差分析的方法。结合塞德尔多项式, 利用Zemax软件对系统加入失调参量, 引出相同中心偏误差对球面和非球面系统像差影响的差异。研究结果表明, 非球面透镜的中心偏误差引起的光学系统像差较大。相较于球面透镜, 在非球面透镜的加工制造过程中, 要更加严格地控制其中心偏误差。

针对现有的红外偏振图像伪彩色技术只能对采集到的偏振图像进行标量的、非动态的显示, 研究了基于P、S偏振态图像的红外伪彩色信号处理。将P、S偏振态图像信息经过处理后映射到RGB颜色空间, 设计了以TMS320DM642芯片作为核心处理器的伪彩色处理系统硬件电路, 完成了伪彩色信号处理系统的软件设计与调试分析。该红外偏振图像处理系统通过采集被测物体表面反射的红外偏振特性, 获得更多有用信息的同时保证了对红外偏振图像的处理速度, 对于红外目标识别及检测有参考意义。

镜头内部光学元件存在气泡、杂质和划痕等疵病，会严重影响安防镜头光学系统的成像性能。提出了一种新型安防镜头内部镜片疵病的检测方法。在暗场环境下，分别利用背光灯和环形灯对待测镜头进行照射，再使用物方远心镜头成像到高分辨率CMOS探测器，正面拍摄获取待测镜头的疵病图像。测试结果表明，该系统测量安防镜头疵病准确率为98%，对于工业安防镜头的自动化检测及光学仪器的检测具有一定的指导作用。

单点金刚石车削技术虽然可以使铜反射镜获得较好的表面粗糙度, 但同时也产生了车削刀纹, 刀纹引起镜面光的散射现象, 严重影响系统的光学性能。为研究去除铜反射镜车削刀纹的修抛工艺最佳参数, 采用4因素4水平正交实验法, 通过ZJP350平面精磨抛光机进行抛光工艺实验, 以及Zygo Newview 8200白光干涉仪对铜反射镜的刀纹去除情况和表面粗糙度进行检测。结果表明: 铜镜胶盘的方法会使铜镜表面产生划痕以及塌边现象, 而阻尼布手工修抛法则可避免这些问题。实验得到了最佳修抛工艺参数, 可使铜基反射镜表面刀纹去除, 粗糙度平均值达到2.387nm, 低于初始数据。证明该方法可在不破坏车削精度的前提下去除车削刀纹, 对其他金属反射镜刀纹去除的研究具有参考意义。

一种新的光学元件表面抛光工艺-液浮抛光技术, 采用具有剪切增稠效应的非牛顿流体作为抛光液, 流体在抛光区域形成液膜, 实现对工件表面高效、低损伤的加工。以材料去除量以及工件表面粗糙度作为评价指标, 利用正交实验法对K9玻璃抛光过程中的四个关键影响因素: 磨粒质量分数、磨头入口压强、磨头重力、剪切增稠相中分散相的质量分数进行实验分析, 得到一组最优参数组合以及各主要影响因素对抛光效果的影响程度。对于工件表面粗糙度, 采用极差法得出各因素对整个工件的影响程度的主次顺序为(主→次): 二氧化硅质量分数、磨头重力、入口压强、磨粒质量分数, 最佳参数组合为: 磨粒氧化铈质量分数为14%, 入口压强为0.3MPa, 剪切增稠相中分散相二氧化硅质量分数为9%, 磨头重力为34.3kg; 对于材料去除量分布, 经过90min的抛光, 其平均去除量为0.2μm。

传统的透射型头盔显示器虽然可以显示虚拟图像，但当眼睛调节焦距时无法清晰显示虚拟图像,研究一种新型的透射型头盔显示技术，其特点是既可以看到外部景物，也可以同时看到微型显示芯片上所显示的虚拟图像，并且虚拟图像独立于人眼的调节。介绍显示技术的原理,用光学设计软件Zemax完成整体光学系统设计，优化后系统达到衍射极限，滤波投影系统中MTF在60 lp/mm处达到了0.7；用Autocad软件设计了头盔显示器结构。光路成像实验结果表明：设计的系统可以看到外界图像和虚拟图像，当眼睛对外界景物聚焦时，外界景物与虚拟图像都保持清晰，眼睛对外界景物离焦时，外界景物变得模糊而虚拟图像仍然保持清晰。

针对传统透射型头盔显示器在眼睛调节焦距时，二维虚拟信息在视网膜上无法清晰成像问题，提出一种新型的透射型头盔显示器。采用麦克斯韦观察法原理，用微型LCD结合激光直接将图像成像到视网膜上，成像面独立于眼睛的调节，其目的是眼睛在调节过程中，图像总是清晰的。讨论了透射型头盔显示器显示原理，根据系统参数选择合适的初始结构，设计了光学系统，根据系统整体结构对混合现实的需要，加入半透半反结构，通过ZEMAX软件对系统进行优化。最后对系统功能做了验证，结果表明系统轴上视场MTF达到了衍射极限。