光学自由曲面具备较高的设计自由度与像差校正能力；全息光学元件具备特有的波前调控特性、选择性、复用性、轻薄性与易加工性。在成像与显示光学系统设计中，将自由曲面与全息光学元件相融合，可以获得较为优秀的系统指标和系统性能，使系统形态更加紧凑、轻便，且得到离轴非对称的新型系统结构。简要介绍了自由曲面光学与全息光学元件的基本原理、光线追迹特性、应用领域等，阐述了自由曲面光学与全息光学元件的融合设计方法，基于对全息光学元件的分类，总结了融合自由曲面光学与全息光学元件的成像与显示光学系统的设计与应用，讨论了两类元件融合设计的限制因素并对未来的发展趋势进行了展望。

基于全息波导的增强现实近眼显示技术可以直接为用户双眼提供虚实融合的图像信息，形态相对便携，近年来发展较为迅速。但目前报道的全息波导近眼显示多采用平板波导结构，一般需额外添加曲面护目镜，系统体积相对较大。因此提出基于柱面全息波导的增强现实近眼显示方法，实现了近眼显示从传统平板全息波导形态到曲面类型全息波导的拓展。提出柱面全息波导的全息曝光制备方法并制备柱面全息波导，搭建柱面全息波导近眼显示平台实验系统，实现了出瞳大小约10 mm，单目视场角约24°的增强现实显示效果，将为曲面波导与曲面护目镜的结合提供技术基础。

增强现实（AR）显示是新型显示技术的一个重要发展方向，也是“元宇宙”的硬件入口之一。裸眼AR-3D显示在车载、教育、医疗等领域具有广泛的应用需求，因此受到学者和产业专家的密切关注。回顾了裸眼AR-3D显示技术，主要包括基于几何光学元件、全息光学元件、像素化衍射光学元件等AR-3D显示技术的发展现状，阐述了不同技术的基本原理，分析了现有技术存在的挑战，并对其未来的发展进行了展望。裸眼AR-3D显示将逐步改变人们的信息获取方式。

为了提升全息光学元件集成成像3D显示的离屏距离, 提出了一种采用计算全息波前设计, 对集成成像显示时的每个像素发散角进行精细的调控, 来实现增大3D显示的离屏距离的方法。通过对设计波前进行计算机仿真得到了66.0 mm的连续3D景深, 基于空间光调制器的光学重建实验实现了140.0 mm的集成成像离屏距离和75.0 mm的连续景深3D显示。该方法可以为基于全息光学元件的集成成像3D显示提供一种很好的离屏、3D分辨率增强和景深增强解决方案。

基于全息光学理论分析了全息光学元件的高斯成像性质, 包括光焦度、成像位置、衍射效率以及作为光纤光谱仪光栅元件的可行性, 并以全息光栅的成像理论以及光谱仪工作原理为基础, 设计了光谱仪器光学系统的各个参数, 通过Zemax软件的仿真、像质评价及优化, 得出最终的参数和模拟结果。所使用的全息光栅记录波长为575 nm, 记录光束之间的夹角为10°, 一束为平面波, 一束为球面波, 焦距40 mm,使用+1级衍射光, 光栅孔径为10 mm。光谱仪的工作波长范围为400 nm～800 nm, 体积140 mm*30 mm*40 mm, 谱面展宽29.1 mm。通过在光学平台上搭建光路, 利用已研发完成的电路系统及光谱仪软件, 针对汞灯光谱进行了试验, 光谱分辨率优于8 nm, 测量得到的汞灯光谱与标准汞灯光谱一致, 表明了所设计的基于全息元件的光纤光谱仪光学系统是可行的。

在折叠紧凑匹配型全息瞄准器的光学系统基础上设计了一种新型潜式激光全息瞄准器。瞄准器的核心部分是由两个衍射匹配的全息光学元件和光学拐角辅助系统组成。阐述了潜式全息瞄准器的原理、设计方案及制作方法。通过实验与分析说明了该系统能实现拐弯射击的功能，达到隐蔽射击的效果。

介绍了全息瞄准器的工作原理、特点及应用情况。对全息瞄准器中全息片的再现光束角度在水平和竖直方向微小偏移对“十”字叉虚像偏移角的影响进行了研究，给出了理论分析和实验测量的曲线结果，两者吻合得很好。对全息片的再现光波长漂移对“十”字叉虚像偏移角的影响也进行了定量分析，该分析结果为补偿光路的设计提供了依据。

基于全息光学成像理论,提出了一种用于光纤耦合输出多波长激光的合束方法。该方法具有结构简单、合束效率高的特点。结合编程计算,设计了离轴型全息光学元件,给出了该元件的相位分布,并通过仿真软件Zemax和衍射的角谱理论对合束光束的发散角和光束质量进行了计算。结果表明,对635,808,975 nm 3种波长的光纤耦合输出激光进行合束,光束质量因子M2由23.5增加到47.9,理论效率95%。