针对超大视场红外图像畸变大、与人眼视觉差异明显的问题, 提出了一种基于精确模型和逆投影的超大视场红外图像畸变校正算法以改善其视觉效果。该算法首先利用精确模型对超大视场红外相机成像中的物、像关系进行描述; 然后, 针对红外图像像素采样率不高的缺点, 利用较为精确的三次卷积插值法对图像进行插值来补全成像信息; 最后, 根据校正图像上的待赋值像点的坐标, 结合校正模型和超大视场红外相机精确模型, 计算该像点逆投影到插值图像时的对应坐标, 并以最近邻像点像素值作为校正后图像像点的赋值。车载道路场景下的超大视场红外图像畸变校正实验结果显示, 所提出的算法图像校正结果边界清晰、无锯齿效应, 对场景中的直线平均还原偏差小于0.35pixels, 表明该算法对超大视场红外图像畸变校正具有较好的适用性。

海上星光导航是航海中一种重要的自主导航技术，星图识别是其关键步骤。针对船载鱼眼相机星光导航系统超大视场带来的单幅图像数据量大、识别冗余、识别效率低等问题，提出了一种基于圆形视场分割的鱼眼相机星图识别方法。对于拍摄到的星图，利用同心圆将视场分割成若干个面积相等的环形和圆形区域；在构造导航星特征库的过程中，以星角距为特征构造散列函数，将导航特征库分段存储成若干个子库；在识别过程中，利用基于中心星的多三角形识别算法，从视场中心圆形区域开始依次向视场边缘环形区域进行识别。海上观测实验结果表明：该方法能够平均以2.5 s的识别时间达到90%以上的识别成功率，且具有良好的实时性。

为了满足全向激光探测的需求，提出一种基于2D MEMS镜扫描的激光雷达结构。激光器通过1×6高速光开关分时地给6个扫描子系统提供光信号，6个扫描子系统探测视场叠加起来可实现360°激光探测。每个扫描子系统的扫描范围为60°×30°，其中包含一个扩展MEMS镜扫描角度的发射光学天线和一个大视场有增益的接收光学天线。发射光学天线将MEMS镜±10°的扫描角扩展到±30°，发散度小于0.2 mrad；接收视场内的激光回波经过接收天线在探测器上所成的半像高小于1 mm，接收增益为3.65。通过计算修正后的激光雷达方程可得到发射功率20 W的激光束在工作距离100 m内的回波功率≥1 nW，结果表明该光学系统可适用于激光雷达系统。

为实现利用采用紫外波段对海水溢油污染进行监测, 采用了回转半径为1 500 mm的双向反射分布函数测量装置和工作波段为300~400 nm的大视场紫外成像仪, 对海水溢油紫外反射光谱特性进行研究.对三种油样品进行了外场试验, 试验结果表明: 海水溢油紫外光谱双向反射分布函数测量装置不确定度为3.68%; 在天顶角0°和30°, 相对太阳方位角0°和45°时, 原油样品与海水的双向反射分布函数在紫外波段差别较大.因此, 可利用此状态下300~380 nm工作波段的紫外光学遥感仪器监测海水溢油状态.

视场大小是评价头盔显示器在虚拟现实等领域的关键性能指标, 为了克服视场增加带来各类像差急剧增大的困难, 提出了一种基于双自由曲面的大视场头盔显示光学系统。首先, 分析了双椭球结构实现大视场与低畸变的基本原理, 指出了其难以校正除畸变以外其他像差的原因。接着, 提出根据系统对称性和光路走向采用竖直方向对称、水平方向不对称的自由曲面反射镜校正离轴像差, 完成了基于双自由曲面反射镜的大视场头盔显示光学系统设计。系统视场范围为106.3°(H)×80°(V), 最大相对畸变为6.97%, 出瞳直径8 mm, 点眼距19 mm。单目系统向外倾斜8°时, 双目视场范围为122.3°(H)×80°(V), 双目重叠视场为90.3°(H)×80°(V), 瞳距在55~71 mm范围内可调节。对系统性能分析结果表明: 相比双椭球结构, 系统成像质量得到较大提高; 视场范围和相对畸变满足虚拟现实领域的应用要求。

随着大视场探测技术的发展，超大视场成像系统已被应用于导弹预警、航天器舱外摄像、机载预警等许多领域。探讨了超大视场成像系统的空间应用问题，分析了系统对典型目标的探测能力。结果表明：与小视场红外成像系统相比，超大视场系统空间漏警率大为降低，这使得系统探测盲区更小; 超大视场系统的空间分辨力较大，这使得目标像在单个像元上驻留时间更长，有利于目标的提取和检测; 但超大视场系统探测灵敏度和探测距离性能相对较差。综合考虑，超大视场成像系统难以适用于远距离目标的探测，但是系统大视场成像的特殊优势使其在近距离全向空间态势感知和强辐射威胁的实时预警方面有很大的应用潜力。

地球静止轨道凝视成像技术是航天遥感领域的重要研究内容.为了实现静轨对地不间断观测的目的,设计了一套覆盖地球全圆盘的大视场中波红外凝视成像光学系统.通过光焦度分配、光线高度控制和冷阑匹配,实现了大视场二次成像光学结构;根据现有面型检测水平,合理分配非球面,解决了多重像差问题.结合实际装调工艺,对温度适应性情况进行讨论.设计得到的光学系统视场达到 18°×18°,角分辨率为 72 .rad.设计结果表明,各个视场的 MTF在奈奎斯特频率处( 16.7 lp/mm)均大于 0.7,像元尺寸内能量集中度大于 83%,冷阑效率大于 98%.该系统有望在静止轨道红外探测相机、高灵敏度天文卫星等领域实现重要应用价值.

为消除温度变化对共形光学导引头像质的影响, 利用光学被动消热差理论对具体设计方法进行实际分析.根据消热差条件选择合理的透镜材料组合, 利用衍射元件特殊的光热特性采用折/衍混合结构进行消热差设计.采用椭球形共形整流罩结构减小空气阻力, 降低导弹头部气动加热效应, 利用三片式反远距结构实现短焦大视场系统设计.该系统工作波段为3~5 μm, 系统F/#为2, 视场角为±90°; 凝视结构的导引头光学系统后工作距达22.8 mm, 为制冷型探测器留有足够的空间; 冷光阑效率为100%; 在-40℃~60℃温度变化范围内, 15 lp/mm处全视场MTF值均大于0.4, 满足高准确度定位导引头系统对成像质量的要求, 保证了系统的轻小型设计.

介绍了一款用于监控的短焦距超广角镜头的设计，光学系统采用反远距光学结构，根据设计要求，采用等距离投影成像方式。用Zemax软件进行优化设计，合理地解决了边缘视场光照度和轴外视场像差的问题。对该结构特点进行分析评价并给出了各种像差曲线和调制传递函数(MTF)曲线。该镜头采用7组10片式结构，全视场角和相对孔径分别为175°和1/1.8，反远比为2.4。使用1/3 inch(1 inch=2.54 cm)CCD成像传感器，全视场MTF值在100 lp/mm处达到0.5，光学系统结构紧凑，像质优良。