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。

针对6061铝合金难以在化学机械抛光中获得高表面质量的问题，研究了抛光液中氧化剂（H₂O₂）、缓蚀剂（BTA）的质量分数和pH值对表面粗糙度的影响。基于响应曲面法设计实验，采用方差分析（ANOVA）检验各参数对表面粗糙度影响的显著性，分析参数的交互影响，得出抛光液的最佳组分配比。结果表明，6061铝合金的表面粗糙度随着pH值的增大先增大后减小再增大，随着H₂O₂和BTA质量分数的增加先减小后增大。在优选的抛光液参数组合（pH值为9.7，H₂O₂的质量分数为0.57%，BTA的质量分数为1.16%）下，实现最低表面粗糙度S_a 为0.31 nm，获得了近原子尺度的超光滑表面。

针对离轴光学系统装调过程中自由度高且互相耦合的问题，提出一种新的离轴自由曲面反射式光学系统装调方法，采用计算全息图（CGH）实现多镜共基准定姿定态，解耦合系统各镜片的装调自由度，显著降低系统装调复杂度；分析CGH用于定姿定态时的定位精度，提高系统装调精度和效率，适应不同构型的离轴光学系统。利用上述方法，完成口径为210mm、视场为2°×2°的近红外长波红外双波段离轴反射式光学系统装调，全视场波像差RMS小于0.126λ（λ=632.8nm），达到设计预期，装配周期短，成像质量优良。

在离轴多反光学系统的装调过程中，光学对准工作成本高、操作复杂。光学系统的一体化加工制造方法通过在设计过程中加入制造约束避免了离轴多反系统的反复装调。然而，现有自由曲面离轴多反系统的设计方法很少考虑制造约束，设计的光学系统无法满足一体化加工制造的要求。针对这一问题，提出了一种符合制造约束的离轴多反系统自动生成方法。首先，提出了由共圆程度函数和遮拦评估函数构成的制造约束模块，对初始结构的合理性进行判断；其次，通过对离轴多反系统的光路结构进行光线追迹，构建了光学系统初始结构的综合目标搜索函数；然后，以搜索获取的初始结构参数为输入，结合改进的Wassermann-Wolf（W-W）法，提出了制造约束下自由曲面离轴多反系统的设计方法。实验结果表明，所提方法可以在保证较高成像质量的前提下，快速、准确地设计出符合制造约束的自由曲面离轴多反系统。

结构光视觉技术是一种光学三维表面测量技术，具有速度快、精度高、鲁棒性强等优点。在实际应用中，线结构光发射器的镜头失真会导致光平面发生弯曲，而现有的大多数标定方法无法对失真进行补偿，并且会限制线结构光的分布规则。为了避免透镜失真所造成的影响，提出了一种精确且鲁棒性强的线结构光标定方法，通过构建曲面网格模型将水平、竖直射线追踪相结合，克服了现有方法对结构光分布方向的限制，同时，利用微分后的空间网格平面与像素网格平面之间的单应性关系实现了亚像素级的光条中心点三维重建。实验结果表明，该方法可以降低线结构光平面弯曲对标定精度的影响，对间距为55 mm的任意相邻靶标进行距离测量的误差小于0.08 mm，对间距为1133.85 mm的任意相邻靶标进行距离测量的精度可达0.50 mm。

异形曲面构件在航空、航天、船舶等领域应用广泛，其粘接质量成为影响工作安全的重要因素。太赫兹凭借其独特的物理特性，近乎是对聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)材料粘接质量进行检测的唯一手段。异形曲面构件上下表面曲率不一致，仅以上表面作为基准曲面进行路径规划时，无法对异形曲面构件粘接质量进行准确判断。对此，在下表面固定不同形状的金属片模拟粘接层中的缺陷，分别以异形曲面构件上下表面为基准曲面，采用机器人化太赫兹时域光谱检测系统进行检测。对上下表面 2个基准曲面的太赫兹成像结果进行对比分析，结果表明，以下表面为基准曲面进行检测时，区域Ⅱ、Ⅲ处信号信噪比，较上表面为基准曲面检测时提高 12.09 dB、10.39 dB；区域 Ⅱ、 Ⅲ处金属片实际检测面积与理论面积比值，较上表面为基准曲面检测时提高 55.97%、 80.81%，更好地满足了异形曲面构件的检测要求。这项工作将促进太赫兹成像在实践中的应用，并为相关领域的进一步研究提供支撑。