针对头盔显示系统高像质、全彩显示、结构简单紧凑的应用需求，提出双自由曲面棱镜结构，利用离轴折/反射的原理，设计了一款双通道头盔显示光学系统。通过自定义约束函数，构建了双棱镜模型，运用矩形阵列光瞳采样算法结合矢量像差理论，迭代优化了离轴非旋转对称系统。所设计的投影和透射双通道系统工作波段为400~700 nm，出瞳直径为8.5 mm，出瞳距离为21 mm，体积为41.5 mm×31.5 mm×14.1 mm。投影通道视场为45°，全视场调制传递函数值在61 lp/mm处大于0.3，透射通道视场为52°，全视场调制传递函数值在30 cycle/（°）处大于0.4。对双通道系统进行了眼球动态像质分析，结果表明，在出瞳直径范围内，人眼所接收到的像质基本不受眼球姿态的影响。该双棱镜结构为下一代双通道头盔显示系统提供了可参考的设计方向。

针对旋转双棱镜系统指向误差较大、误差源较多等指向精度较差的问题，提出了一种新的旋转双棱镜指向偏差修正方案。采用非近轴光线追迹方法建立旋转双棱镜指向模型和二维转台指向模型，在全视场区域内均匀选取若干点，比较旋转双棱镜理论出射光束与实际出射光束的偏差，通过Levenberg-Marquardt迭代算法对旋转双棱镜前镜和后镜的转角误差、楔角和折射率进行修正。在整个视场区域内修正后，指向最大偏差由8.37 mrad变为3.75 mrad，平均指向偏差由4.00 mrad变为1.38 mrad，并且当俯仰角较小时，修正效果较好；在俯仰角小于15°的视场区域进行单独修正后，最大指向偏差变为1.51 mrad，平均偏差变为0.84 mrad。所提修正方法提高了旋转双棱镜的指向精度，对旋转双棱镜指向偏差的补偿修正具有一定的参考价值。

Risley棱镜通过共轴独立旋转的方式对扫描视场范围内的光束实现任意指向, 因结构紧凑、指向精度高、功耗低、响应迅速等特点而广泛应用于激光雷达、红外对抗、光学侦察等领域。螺线扫描方式可以满足视场可控、覆盖率可控、周期可控、速度稳定等指标要求。但由于扫描轨迹设置以及受电机最大速度、加速度等因素的限制, 在最大张角和最小张角附近, 棱镜的速度依然存在一定的突变, 造成过大的伺服控制误差。针对此问题, 采用滤波与插值结合的方法优化扫描轨迹。实验表明:优化后棱镜的旋转速度趋于平滑, 最大伺服控制误差从约1 200″, 减小至约300″, 减小至原来的1/4。该方法降低了因棱镜速度突变而造成的随动伺服控制误差, 优化了棱镜的旋转过程, 降低了棱镜因速度突变而产生的抖动, 有利于提升系统的扫描精度。

针对目标场景三维重建难以兼顾视场范围和空间分辨率的问题，提出了结合相机和旋转双棱镜的成像系统。该系统可在不同双棱镜转角下形成虚拟相机阵列，同时利用导轨移动调整阵列虚拟相机的成像位置，还可在大视场范围内实现分区域的多视角图像采集。结合相机投影模型和双棱镜折射模型，提出了一种利用几何变换关系的阵列虚拟相机内外参数标定方法，建立了基于三角测量原理的分区域三维点云获取方法。在此基础上，提出了多视角图像重叠区域的预先定位算法，结合迭代最近邻点算法实现由粗到精的分区域点云配准融合。实验结果表明，所提成像系统可以实现大范围高分辨率的三维目标重建，且采用由粗到精的点云配准算法，在提升运算效率的同时还能保证三维重建精度。

随着激光通信向负载能力有限应用平台的推广，激光通信系统逐渐向着轻量化和小型化的方向发展。作为激光通信系统的重要一环，扫描捕获单元的轻小型化设计成为亟待解决的问题。首先，基于旋转双光楔棱镜的扫描捕获单元摒弃常规的机械伺服转台，通过棱镜绕公共旋转轴的独立旋转实现大视场光束偏转。然后，基于非近轴光线追迹建立双光楔棱镜光束偏转模型并分析了双光楔棱镜的扫描模式，为轻小型激光通信光端机的研制提供了一定的参考。最后，基于旋转双光楔棱镜和四象限探测器复用技术提出并分析了一种轻小型激光通信光端机的设计和应用。

旋转双棱镜用于目标跟踪时,其光束转向与棱镜旋转之间存在非线性关系。基于两步法解算两套棱镜角位置逆向解,沿目标移动方向求其方向导数来计算棱镜转速与光束转向率的比值,分析不同指向目标沿不同方向移动时的棱镜驱动和控制要求。结果表明:对于确定的旋转双棱镜系统,目标跟踪对棱镜驱动和控制要求只取决于当前目标指向偏转角及目标移动方向与径向的夹角;目标沿切向或径向移动,将分别导致系统观测场中央区和边缘区目标跟踪的棱镜旋转控制奇异性;目标跟踪对两棱镜旋转驱动和控制的要求存在微小差异,基于两套逆向解的分析结果无显著差异。

旋转双棱镜系统可以通过光束控制来扩大成像视场、增大棱镜顶角,可提高视场角扩大倍率,但同时加剧成像畸变的问题。为了实现大视场实时成像的目的,针对大顶角双棱镜系统提出了一种快速畸变校正和视频拼接的方法。所提方法采用多次相机预标定、建立查表插值重投影算法,配合图像尺度变换及基于搜寻最佳缝合线的多分辨率融合算法,实现对两路旋转双棱镜成像系统的实时畸变校正和拼接。针对视场扩大情况,提出一种基于矢量形式折射定律的视场扩大评价方法,并以视场角扩大因子作为评价指标。仿真结果表明拼接视场水平视场角扩大因子可达1.50,垂直视场角扩大因子可达1.30。实验结果验证了该扩大视场方法的可行性,且可达到30 frame/s的实时畸变校正及拼接。

大范围、快速、高精度扫描是光电探测、激光雷达、红外对抗等领域的一项关键技术，目前传统的扫描方式很难兼顾这些指标。首先分析了旋转双棱镜用于大范围、快速、高精度扫描的优势；其次介绍了前向扫描和反向扫描的原理和方法，并重点对反向扫描的不同算法（一阶近似法和矢量光学法）进行了分析；最后建立了旋转双棱镜快速扫描仿真系统，对两种反向扫描方式的有效性和精度进行了验证，结果显示，在±1.5°扫描范围内，一阶近似方法精度约 20″，而矢量光学方法约 1″。文中为大范围快速高精度扫描领域提供了新的技术途径。